Лекции по "Геологии" и "Гидрогеологии"

Лекция 8. Характеристики классов грунтов

8.1 Скальные и полускальные грунты, их характеристика
Скальные грунты залегают в виде сплошного массива или трещиноватого слоя. Они несжимаемы, водоустойчивы, водонепроницаемы. Вода фильтруется только по трещинам. Скальные грунты подразделяются по степени выветренности:
- монолитные (не тронутые выветриванием)

- слабо выветренные (трещиноватые, залегают в виде не смещающихся глыб);

- выветренные (сильно раздробленные, состоящие их мелких кусков);

Скальные грунты характеризуются пределом прочности при одноосном сжатии.
R=kRн
где Rн – прочность на одноосном сжатие грунта в водонасыщенном состоянии; k – коэффициент однородности грунта, принимается 0,17.

К скальным грунтам относят горные породы, которые имеют предел прочности на одноосное сжатие более 50 кг/см² в водонасыщенном состоянии. Наиболее прочными являются магматические породы. Высокие прочностные характеристики определяются кристаллическими связями или цементацией рыхлых образований.
Полускальные грунты – к ним относят сильно трещиноватые и выветренные скальные породы, вулканический туф, осадочные (R до 50 кг/см²). При этом необходимо учитывать коэффициент уплотнения грунта, модуль деформации, сопротивление сдвигу. Полускальный грунт обладает пластичностью и под фундаментом слабее уплотняется, устойчив к воде, но осадочного происхождения грунты размягчаются, могут вызывать набухание. После размягчения несущая способность уменьшается. Характеризуется коэффициентом размягчения, при n>0,9 грунты считаются не размягчающимися , при n=0,9…0,75 средней степени размягчения, при n< 0,75 сильно размягчающиеся. Для многих полускальных грунтов особенностью является трещиноватость.

8.2 Крупнообломочные и песчаные грунты, их характеристика
К ним относят несцементированные залежи обломков, между которыми нет структурных связей. Прочность грунтов зависит от того, из обломков, каких пород они сложены. Укладка обломков может быть рыхлая и плотная. Наибольшую прочность имеют грунты, у которых промежутки между обломками заложены мелкими частицами. Под нагрузкой практически не уплотняются и являются надежным основанием для сооружений. Характеризуются водопроницаемостью. Свойства крупнообломочных грунтов зависят от степени выветренности, различают невыветренные при значении коэффициента выветренности Кв<0,5, выветренные – 0,5<Кв<1,0. Коэффициент выветривания определяется после испытания.
Песчаные грунты. В состав входят разные по крупности пески, находящиеся в сыпучем или текучем состоянии. При увлажнении песок приобретает небольшую свежесть. Пески могут быть в рыхлом и плотном состоянии. Плотность оценивают степенью плотности ID. Определяют по формуле:

где еmax – коэффициент пористости грунта в рыхлом состоянии; еmin – коэффициент пористости грунта в плотном состоянии; ео – коэффициент пористости грунта в природном состоянии
По величине: ID= от 0 до 0,33 – песок рыхлый; ID = от 0,33 до 0,66 – песок средней плотности; ID = от 0,66 до 1 – песок плотный.
Песок обладает водопроницаемостью. Под давлением уплотняется незначительно. Пески являются устойчивым и надежным основанием для инженерных сооружений. Крупнообломочные и песчаные грунты характеризуются гранулометрическим составом, то есть наличие частиц определенной крупности зерен.

8.3 Глинистые грунты, водно-физические свойства
Основой глинистых грунтов являются глинистые и пылеватые частицы, которые являются продуктами распада и разложения минералов. Связь между минеральными частицами осуществляется через пленку воды, что определяет связность и пластичность глины. Свойства глинистых грунтов зависят от степени влажности. Если содержится только связанная вода, то грунт имеет свойство твердого тела, при наличии рыхлосвязанной воды грунт остается пластичным. Общее количество воды, содержащееся в грунте естественного залегания, составляет естественную влажность грунта w. Она выражается отношением веса воды к весу сухого грунта (в %). Структура глинистых грунтов определяет его свойства. При насыщении водой, в малом количестве глинистые грунты размягчаются, затем переходят в пластичное и текучее состояние; wp – нижний предел пластичности (предел раскатывания), соответствует влажности при которой грунт переходит в твердое состояние. wт – верхний предел пластичности (предел текучести) отвечает влажности (в %), выше которой грунт переходит в текучее состояние. Разность между wт и wp называется числом пластичности. Величина зависит от гранулометрического состава. Для супесей Iр= l … 7, суглинки Iр =7…17; глины Iр>17
На состояние глинистых грунтов влияет консистенция. Показателем является индекс текучести:

Размокание – при погружении в воду глинистые грунты одни распадаются полностью, другие - частично, третьи - сохраняют свою целостность в течение времени. В зависимости от этого грунты бывают неводостойкие, слабо водостойкие и относительно водостойкие.

Глинистые грунты наиболее распространенные основания. 

Лекция 9. Гидрогеология

9.1 Происхождение и виды подземных вод
Воды, находящиеся в верхней части земной коры, называются подземными водами. Наука, изучающая подземные воды, их происхождение, условия залегания, связь с атмосферными и поверхностными водами, называется гидрогеологией.
Для строительства подземные воды в одном случае служат источником водоснабжения, в другом – фактором, затрудняющим строительство. Подземные воды ухудшают механические свойства рыхлых и глинистых пород, являются агрессивной средой по отношению к строительным материалам.
В природе существует малый и большой круговорот воды в природе: 
– Малый – море-атмосфера-море.
– Большой – море-атмосфера-суша-море. При большом круговороте, после выпадения на сушу, вода возвращается в море путем поверхностного стока и виде подземных вод.
Существует 3 способа образования поземных вод: инфильтрации, конденсации, ювенильный.
Инфильтрации – образуются из атмосферных осадков, которые, просачиваясь через слой земли, встречают водоупорный пласт. Вода задерживается, заполняет пустоты, создает водоносные горизонты.
Конденсации – образуются за счет разности температур на поверхности и внутри земли, происходит конденсация паров и формирование подвешенного горизонта подземных вод.
Ювенильные – возникают в глубине земли за счет кислорода и водорода, выделяемого магмой. Встречаются на поверхности земли в виде горных источников.
В зонах замедленного и весьма замедленного водообмена образуются минерализованные (соленые) воды так называемого седиментационного происхождения. Эти воды возникли после образования (седиментации) древних морских осадков в начале геологической истории земной коры.

9.2 Водные свойства горных пород
Содержание и передвижение воды определяется наличием различных пустот. Рыхлые и глинистые содержат воду в своих порах. Грунты характеризуются:
Влажностью пород (ω) - отношение весового количества влаги к весу сухого образца.

где q1 - вес влаги в породе; q2 - вес сухого образца.

Различают породы по степени влажности, которая указывает долю заполнения пор водой.

где е- коэффициент пористости; gск - удельный вес скелета грунта; w- естественная влажность, при G<0,5 (менее 50% заполнено водой) породы относятся к маловлажным; G=0.5…0.8 к влажным; G=0,8…1,0 насыщенным водой.

Влагоемкость - способность породы вмещать и удерживать в себе воду.

Водоотдача (wв) способность породы, насыщенной водой, отдавать воду в виде свободного стока. Наибольшая водоотдача это у крупнообломочных пород, в глинах водоотдача равна нулю.

Водопроницаемость- способность породы пропускать воду через поры и трещины. Характеризуется коэффициентом фильтрации kф. (см/с, м/ч или м/сут). По величине коэффициента фильтрации породы разделяются на: водопроницаемые, у которых kф >1 м/сут. (галечники, гравий, песок и т.д.); полупроницаемые, у которых kф = 1…0,001 м/сут. (глинистые пески, лесс, торф, пористые известняки, мергель); непроницаемые, kф <0,001 м/сут (массивные породы, глины). Непроницаемые называются водоупорными пластами, а полупроницаемые и воднопроницаемые – водоносными горизонтами.


9.3 Физические и химические свойства подземных вод
При оценке свойств подземных вод исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность температуру, и другие физические свойства подземной воды, которые характеризуют так называемые органолептические свойства воды (определяемые при помощи органов чувств).
Температура подземных вод колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносных слоев, особенностей геологического строения, климатических условий и т.д. Различают воды холодные, теплые (субтермальные), термальные, перегретые. На участках водозаборов чаще всего температура воды 7…11°С.
Химически чистая вода бесцветная. Прозрачность зависит от цвета и наличии мути. Вкус связан с составом растворённых веществ: соленый – от хлористого натрия, горький – от сульфата магния и т.д.
Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения.
Химический состав определяется содержанием растворённых соединений газов, солей и органических соединений.
Растворенные в воде газы придают ей определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обуславливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко бывают загрязнены органическими примесями. 
Соли в подземных водах. Наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию растворенных солей подземные воды разделяются на: пресные – до 1 г/л растворенных солей; солоноватые – от 1 до 10 г/л; соленые – 10…50 г/л; рассолы – более 50 г/л.
Суммарное содержание растворенных в воде минеральных веществ называется общей минерализацией, о величине которой судят по сухому или плотному остатку, который получается после выпаривания определенного объема воды при температуре 105…1100С. Общая минерализация – один из главнейших показателей качества подземных вод.
Количество солей и газов определяет пригодность воды для питья. Количество растворенных солей не должно превышать 1,0 г/л. Органические примеси устанавливаются бактериологическим анализом.
Присутствие солей определяют жесткость и агрессивность воды. Жесткость воды – это свойство, обусловленное содержанием ионов кальция и магния, т.е. связанная с карбонатами. По жесткости воду разделяют на мягкую, среднюю, жесткую и очень жесткую. Жесткость бывает временной и постоянной. Временная жесткость устраняется кипячением. Постоянная жесткость кипячением не устраняется. Сумму временной и постоянной жесткости называют общей жесткостью.
Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материалы. По отношению к бетону различают следующие виды агрессивных подземных вод:
а) обще кислотная;
б) сульфатная;
в) магнезиальная;
г) карбонатная.


Лекция 10. Характеристика подземных вод
10.1 Классификация подземных вод
Подземные воды подразделяют: по характеру их использования; по условиям залегания в земной коре (см. рисунок 19).
По характеру их использования: хозяйственно-питьевые, технические, промышленные, минеральные, термальные.
По условиям залегания: верховодки, грунтовые, межпластовые.
В инженерно-геологических целях подземные воды целесообразно классифицировать по гидравлическому признаку – безнапорные и напорные.

Рисунок 19 - . классификация подземных вод по условиям в земной коре

Хозяйственно-питьевые воды – источником являются подземные воды зоны интенсивного водообмена. Глубина залегания пресных вод от поверхности земли обычно не превышает нескольких десятков метров.
Технические воды – требования к подземным техническим водам отражает специфику того или иного вида производства.
Промышленные воды – содержат в растворе полезные элементы (бром, йод и т.д.) в количестве, имеющем промышленное сырьевое значение.
Минеральными называются воды которые имеют повышенное содержание биологически активных микрокомпонентов, газов, радиоактивных элементов и т.д. Они выходят на поверхность земли источниками или вскрываются буровыми скважинами.
Термальные воды имеют температуру более 370С. Они залегают повсеместно на глубинах от нескольких десятков и сотен метров до нескольких километров. По трещинам термальные воды часто выходят на поверхность земли, образуя горячие источники с температурой 1000С. 
Верхняя часть земной коры в зависимости от степени насыщения водой пор горных пород делится на две зоны:
– верхняя – зона аэрации, расположена между поверхностью земли и уровнем грунтовых вод. В этой зоне наблюдается просачивание атмосферных осадков из поверхности вод вглубь, в сторону зоны насыщения.
– нижняя – зона насыщения расположена ниже уровня грунтовых вод, В этой зоне все поры, трещины, каверны и другие пустоты заполнены гравитационной водой.

10.2 Верховодка
Верховодка – это временное скопление подземных вод в зоне аэрации. (см. рисунок 20)

Рисунок 20 – классификация верховодки

Эта зона располагается на небольшой глубине от поверхности, над горизонтом грунтовых вод. Верховодка образуется над локальными водоупорами, которыми могут являться линзы глин и суглинков в песке, прослойки более плотных пород. При инфильтрации вода временно задерживается и образует водоносный слой (горизонт). Особенностью верховодки является возможность её образовываться в зоне аэрации водоупорных пластов. Верховодка имеет сезонный характер, небольшую площадь, малую мощность и безнапорность. Для строительства верховодка опасна, так как может подтапливать подземную часть здания. При инженерно-геологических изысканиях, проводимых в сухое время года, верховодка может и не обнаружиться.

10.3 Грунтовые воды
Грунтовые воды Грунтовыми называют постоянные во времени и значительные по площади подземные воды, залегающие на первом от поверхности водоупоре. Они характеризуются:
1. свободной поверхностью, то есть сверху не перекрыты водоупорными слоями. Свободная поверхность называется зеркалом. Глубина залегания уровня от поверхности – от 1… 50 метров . Водоупор, на котором лежит водоносный слой называют водоупорным ложем, а расстояние от водоупора до уровня подземных вод – мощностью водоносного слоя (см.рисунок 21). Грунтовые воды в силу наличия свободной поверхности безнапорны. Иногда они могут проявить так называемый местный напор, связанный с залеганием линзы глины в уровне зеркала (см. рисунок 21).


Рисунок 21 – схема расположения воды

2. питание грунтовых вод происходит за счет атмосферных осадков, а так же поступление воды из поверхностных водоемов и рек.
3. грунтовые воды находятся в непрерывном движении и образуют потоки, которые направлены в сторону общего наклона водоупора.
4. количество, качество и глубина залегания грунтовых вод зависит от геологических условий местности и климатических факторов. По степени минерализации воды преимущественно пресные, реже солоноватые и соленые, состав гидрокарбонатно-кальциевый, сульфатный и сульфатно-хлоридный.

10.4 Межпластовые подземные воды
Эти воды располагаются в водоносных горизонтах между водоупорами. Они бывают ненапорными и напорными (артезианскими).
Ненапорные воды встречаются сравнительно редко. Они связаны с горизонтально залегающими водоносными слоями, заполненными водой полностью или частично (см.рисунок 22).

Рисунок 22 – межпластовая ненапорная вода:
1- грунтовая вода; 2 – первый водоупор; 3- межпластовая вода; 4 – водоупор; П – поверхность земли.
Напорные (артезианские) воды связаны с залеганием водоносных слоев в виде синклиналей или моноклиналей (см. рисуноки 23). Площадь распространения напорных водоносных горизонтов называют артезианским бассейном.

Рисунок 23 - артезианская вода при моноклинальном залегании слоев:
1– водоупоры; 2– водоносный слой; 3– область питания водой; 4– буровая скважина; 5 – пьезометрический уровень; 6 – поверхность земли; Н – высота (величина) напора воды.
Напорность вод характеризуется пьезометрическим уровнем. Высотное положение уровня связано с характером залегания водоносных слоев. Он может быть выше поверхности земли или ниже ее. В первом случае, выходя через буровые скважины, вода фонтанирует, во втором – поднимается лишь до пьезометрического уровня.
Артезианские воды обычно залегают на большой глубине и приурочены к синклинальным (прогнутым) геологическим структурам. При синклинальном залегании пластов создаются наиболее благоприятные условия для образования гидростатического напора. Напорные воды встречаются и при моноклинальном залегании водоносных пластов, если последние резко изменяют свою водопроницаемость или выклиниваются. Они могут быть приурочены также и к зонам тектонических нарушений и разломов.
Геологические структуры синклинального типа, содержащие один или несколько напорных водоносных горизонтов и занимающие значительные площади (до нескольких сотен тысяч квадратных километров), называют артезианскими бассейнами. При моноклинальном залегании слоев образуется артезианский склон.
Основные элементы артезианского бассейна (склона). В артезианских бассейнах выделяют три области: питания, напора (распространения) и разгрузки. Разгрузка напорных вод возможна и искусственным путем через водозаборные скважины при их длительной эксплуатации. Работа водозаборов усиливает также процессы перетекания воды из одного водоносного горизонта в другой.
Подземные воды в трещинованых и закарстованных породах. Трещинные воды – это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин и образуют единую гидравлическую систему. В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными. Трещинно–грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80…100 м). Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени. Трещино-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы) , уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Карстовые воды называются подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения. Карстовые воды отличаются от трещинных вод более интенсивным движением, особенно в верхней зоне массива закарстованных пород, непостоянством химического состава, резким изменением водообильности на сравнительно небольших расстояниях.


Лекция 11. Деятельность текучих рек

Подземные воды и временные ручьи атмосферных осадков, стекая по оврагам и балкам, собираются в постоянные водные потоки – реки. Площадь, с которой к реке стекает вода, называют бассейном реки. Полноводные реки совершают большую геологическую работу – разрушение горных пород (эрозия), перенос и отложение (аккумуляция) продуктов разрушения.

Эрозионная деятельность рек. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, сами обломки разрушаются. Одновременно вода оказывает на горные породы растворяющие действие.
При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения называются аллювиальными.
В процессе размывающей и аккумулятивной деятельности реки в коренных породах вырабатывают вытянутые, корытообразные углубления, которые носят название речных долин.
По мере углубления долины река проходит ряд стадий. На первой стадии дно реки имеет значительный уклон, поток обладает большой скоростью, интенсивно действует донная эрозия. На значительном протяжении река теперь имеет небольшой уклон. Скорость потока снижается. Постепенно река вырабатывает равновесный профиль. Глубинная эрозия сменяется боковой.

11.1 Строение речных долин
Долины рек разнообразны по формам, размерам, строению. Долины бывают: симметричные и асимметричные.
Долина имеет следующие элементы:
– дно – низшая часть долины, заключенная между подошвами склонов;
– русло – часть долины, занятая водным потоком;
– пойма – часть речной долины, заливаемая водой в период паводка в силу таяния снега весной (низкие, высокие);
– старицы – изолированные старые русла рек, в которых вода не движется, а стоит, как в озерах.
Иногда при характеристике речных долин применяют понятие – тальвег, условная линия, соединяющая самые глубокие точки дна долины.
Террасы – уступы на склонах долин рек. Бывают: поперечные и продольные.
Поперечные располагаются поперек рек долины и порождают водопады. Их появление связано с пересечением рекой пород различной прочности.
Продольные террасы располагаются вдоль склонов долин в виде горизонтальных или почти горизонтальных площадок. Продольные террасы по слагающему их материалу подразделяются на эрозионные, цокольные и аккумулятивные (аллювиальные).
Эрозионные террасы вымываются рекой в коренных породах долины и возникают на первых стадиях развития реки.
Значительная часть аллювиальных отложений скапливается в русле рек и на поймах. Общая площадь аллювиальных отложений в долинах рек различна – от нескольких метров до десятков метров. По характеру осадков и месту накопления речные отложения разделяют на дельтовые, русловые, пойменные и старичные.


Лекция 12. Геологические процессы на земной поверхности

12.1 Процесс выветривания
Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород и строительных материалов, происходящих под воздействием различных агентов, действующих на поверхности земли, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание воды, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов и т.д.
Особенностью процесса выветривания является постепенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минералогический состав.
Интенсивность проявления выветривания зависит от: активности агентов выветривания; состава пород; геологического строения местности и т.д. Наиболее сильное выветривание проявляется у поверхности земли, куда облегчен доступ агентов выветривания. Глубина проникновения в толщу земли агентов выветривания зависит от степени трещиноватости пород, раскрытия и глубины трещин. Область активного современного выветривания достигает глубины 5…10 м. Проникновению агентов выветривания способствует инженерная деятельность человека (проходка тоннелей, шахт и т.д.).
Продукты выветривания горных пород, остающихся на месте их образования называют элювием. По составу он представляет собой смесь обломков этой породы и глинистого материала.

12.2 Виды выветривания
Процесс выветривания протекает при одновременном участии многих агентов, но роль их при этом далеко неодинакова. По интенсивности воздействия тех или иных агентов выветривания и характеру изменения горных пород выделяют три группы выветривания:
– физическое выветривание;
– химическое выветривание;
– биологическое выветривание.
Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра и ударов песчинок, переносимых ветром, кристаллизации солей в капиллярах, давления, которое возникает в процессе роста корней растений и т.д. Физическое выветривание преобладает в местах с сухим резкоконтинентальным (пустыни) или холодным климатом (горные районы, арктический пояс).
Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты.
Простейшим видом химического выветривания является растворение в воде. Легко растворяются каменная соль, гипс. Разрушительное действие действие оказывает процесс гидратации. Примером служит переход ангидрита в гипс. В присутствии воды происходит также окисление. Интенсивность химического выветривания зависит от площади воздействия воды и растворов, их температуры, а также степени устойчивости минералов в отношении агентов выветривания.
Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений. Породы дробятся и в значительной мере подвергаются воздействию органических кислот.
Механическое разрушение производят растения своей корневой системой. Корни деревьев способны расщеплять даже прочные скальные породы.
Многие живые организмы, особенно из числа землероев, активно разрушают горные породы, в коре выветривания они создают многочисленные ходы, пустоты.
Кора выветривания осадочных пород отличается своим своеобразием. Наибольшему разрушению подвергаются осадочные породы, образовавшиеся в условиях, отличных от тех, в которых действуют факторы выветривания. Породы химического и органогенного происхождения большей частью полностью растворяются в воде или быстро дробятся до частиц песчаных и глинистых размеров.
Процессы выветривания могут настолько изменить свойства пород и инженерно-геологические условия строительной площадки, что строить здания и сооружения без специальных мероприятий не будет представляется возможным.

12.3 Геологическая деятельность ветра
Ветер совершает большую геологическую работу: разрушение земной поверхности (выдувание или дефляция, обтачивание или корразия), перенос продуктов разрушения и отложение (аккумуляция) этих продуктов в виде скоплений различной формы.
Все эти процессы носят общее название эоловых. Наиболее ярко эоловые процессы проявляются в пределах пустынь, полупустынь, долин рек и морских побережий.
Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Наиболее ярко этот процесс проявляется в районах, сложенных рыхлыми или мягкими породами. Ветер выдувает котловины, борозды и траншеи в солончаках, суглинках, песках.
Корразия. Движение ветра часто сопровождается переносом пыли, песка и даже гравия. Наибольшую разрушительную работу совершают песчаные частицы. Ударяясь о твердые породы, они перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Появляются борозды, желоба, углубления – это процесс корразии. 
Совместные действия дефляции и корразии разрушают не только мягкие, но и твердые породы, превращая их в обломки различного размера.
Эоловые отложения. Перенос частиц ветром совершается во взвешенном состоянии или путем перекатывания в зависимости от скорости ветра и размера частиц. В большенстве случаев это накопления песка и пыли. Для строительства большое значение имеет закрепленность песков. По этому признаку песчаные накопления делят на подвижные (дюны, барханы) и закрепленные (грядовые, бугристые) пески.
Дюны образуются по берегам рек и морей в результате навивания песка ветром возле какого-нибудь препятствия. Это холмовидные накопления песка высотой до 20…40 м и более.
Барханы возникают в пустынях, где постоянно дуют сильные ветры преимущественно одного направления. Это песчаные холмы серповидной формы. Высота бархана в пустынях достигает 60…70 м при ширине крыльев в десятки и даже сотни метров.
Закрепленные пески распространены достаточно широко. Грядовые пески представляют собой вытянутые формы высотой 10…20 м; бугристые пески – неподвижные холмы (редко высотой более 10 м ) с пологими склонами.


Лекция 13. Геологическая деятельность атмосферных осадков

На поверхность материков постоянно выпадают атмосферные осадки в виде дождей, снега и льда в количестве 112 тыс.км3 в год. Наибольшую геологическую работу при этом совершает текучая вода, которая, растекаясь по поверхности в сторону падения рельефа, разрушает горные породы, переносит в сторону и откладывает продукты разрушения. Разрушительная работа текучих вод – эрозия.

13.1 Образование наносов
Со временем на склонах и в пониженных частях рельефа накапливаются отложения наносов: на склонах и у подошвы – делювий, в понижениях, примыкающих к склонам – пролювий. Эти наносы почти сплошным покровом закрывают лежащие под ними более древние (коренные) породы.
Делювий покрывает все склоны и их подошвы, за исключением обрывистых участков. По литологическому составу - это, главным образом, суглинки, супеси, пески с включениями щебня и более крупных обломков.
Пролювий представляет собой рыхлые образования неоднородного состава, особенно по вертикали. В толщах пролювия суглинки и супеси могут переслаиваться с более крупнозернистым материалом (песок и др.).

13.2 Образование оврагов
При таянии снега и дождя на склонах рельефа отдельные струйки образуют временные ручьи. Возникает струйчатая эрозия, что приводит к образованию вытянутых понижений рельефа – оврагов. Наиболее легко размываются лессовые породы, поэтому в районах их распространения овраги имеют широкое развитие.
В овраге различают устье, ложе и вершину. Овраг растет вершиной вверх по склону. Одновременно происходит и его углубление и расширение за счет размыва склонов оврага.
В начале развития овраг имеет сравнительно небольшую ширину при большой глубине, с обрывистыми бортами и без растительности – это активный овраг. При достижении оврагом максимальной глубины рост оврага прекращается, склоны приобретают устойчивый естественный откос. Ширина оврагов уже превышает глубину. Такой овраг не развивается и носит название балки.
Размывающая деятельность овражных водотоков приводит к накапливанию наноса – овражного аллювия, который накапливается в районе устья оврага в виде конуса выноса.

13.3 Селевые потоки
Сель (силь) означает горный, быстро несущийся поток. Они представляют собой временные, но бурные грязекаменные потоки, возникающие в горных районах.
Сели вызываются дождевыми ливнями или быстрым таянием снегов и ледников в горах. Средняя скорость селевых потоков от 2…4 и даже 6..8 м/с.

Селевые потоки подразделяются на связные и несвязные. К связным относят грязекаменные потоки, в которых вода практически не отделяется от твердой части. Несвязные сели (водокаменные) переносят обломочный материал и по мере уменьшения скорости откладывают в русле или в области конуса выноса.

Лекция 14. Движение горных пород на склонах рельефа

Горные породы, слагающие склоны, часто находятся в неустойчивом положении. При определенных условиях и под влиянием гравитации они начинают смещаться вниз по склонам рельефа. В результате этого возникают осыпи, куруму, обвалы и оползни.

14.1 Осыпи
На крутых склонах, где развиты скальные породы, активно действует процесс физического выветривания. Породы растрескиваются и обломки скатываются вниз по склонам до места. Так у подножья склонов накапливаются продукты осыпания – глыбы, щебень, более мелкие обломки и образуются валы – осыпи.
В состав осыпей входят обломки тех горных пород, которые слагают склоны. Вид породы зачастую определяет крупность обломков осыпи.
Характерной особенностью осыпей является их подвижность. По признаку подвижности их подразделяют на действующие, находящиеся в стадии интенсивного движения, затухающие и неподвижные.
Действующие осыпи лишены всякой растительности. Масса обломков нарастает и находится в рыхлом, весьма неустойчивом положении и приходит в движение за счет увеличения общего веса.
Движение осыпей. Наибольшие скорости движения осыпей отмечены в период снеготаяния и дождей. Осыпи в послойном разрезе передвигаются с различной скоростью.
Для затухающих осыпей свойственно развитие растительности. Они полностью задернованы, покрыты кустарником и даже лесом.

14.2 Курумы
В результате разрушения скальных пород у подошвы склонов скапливаются крупные обломки и глыбы. По своему местоположению обломки более всего тяготеют к пологим склонам, что свойственно ложбинам и днищам долин. Так образуются каменные россыпи – курумы. Мощность каменных россыпей колеблется от нескольких метров до 15 м на дне долин.
Характерной особенностью курумов является передвижение. Масса обломков, огромных глыб постоянно ползет вниз по склону, так как глыбы лежат на глинисто-суглинистом слое. Когда курум движется по ложбинам, его называют каменным потоком.
Курумы подразделяются на:
– действующие – пустоты между глыбами не заполнены, растительность отсутствует;
– затухающие – следов движения нет, россыпь задернована, покрыта растительностью.

14.3 Обвалы
Обрушение более или менее крупных масс горных пород с опрокидыванием и дроблением получило название обвала. Они возникают на крутых склонах и обрывах естественных форм и рельефа (склоны речных долин, ущелья и т.д.).
В большинстве случаев обвалы проявляются в периоды дождей, таяния снега, весенних оттепелей. Атмосферные и талые воды ослабляют связи в выветрелых породах, утяжеляют массы пород, оказывают давление на стенки трещин.
Одной из разновидностей обвалов является вывалы – обрушения отдельных глыб и камней из скальных пород в откосах выемок, полувыемок и отвесных склонов. Вывалы – обрушения отдельных глыб и камней из скальных пород в откосах выемок, полувыемок и отвесных склонов. Вывалы отличаются от обвалов тем, что обломки падают свободно, не скользя по склону. 

14.4 Оползни
Это скользящее смещение горных пород на склонах под действием гравитации и при участии поверхностных или подземных вод. Явление это частое и свойственно склонам долин, оврагов, балок, берегам морей, искусственным выемкам. Большое влияние на развитие оползневых процессов оказывает геологическое строение и литологический состав пород скулона. Наиболее часто оползни проявляются при залегании слоев с падением в сторону склона. Типичными оползневыми породами следует считать различные глинистые образования, для которых характерно свойство «ползучести».
Оползневые тела могут иметь сложное строение. На одном и том же участке одну или несколько поверхностей скольжения. В этом случае различают оползни одно-, или двух- и многоярусные.
Оползни можно разделить на скользящие и постепенно скользящие. При соскальзывании тело оползня перемещается мгновенно, в один прием. Большинство оползней смещается постепенно, хотя и с различной скоростью – от долей миллиметров в сутки до нескольких десятков метров в час.
Классификация оползней предусматривает:
– собственно оползни происходят только путем скольжения земляных масс по склону. Плоскость скольжения обычно располагается на значительных глубинах;
– сплывы – смещение земляных масс на большей площади вследствие водонасыщения верхних слоев. Глубина залегания плоскости скольжения до 1 м ;
– оползни–обвалы – представляют собой смещение земляных масс одновременно по типу скольжения и обвала для крутых склонов.
Различают оползни действующие и недействующие. Действующие оползни требуют применения противооползневых мероприятий, зависящих от причин, которые порождают данный оползень. Недействующие оползни движений не проявляют. Сползание произошло достаточно давно и поверхность оползневого тела и следы смещения сглажены геологической деятельностью атмосферных вод.

Лекция 15. Суффозионные и карстовые процессы

15.1 Суффозионный процесс
При фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц называется суффозией.
Различают два вида суффозии:
– механическая: фильтрующая вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые, пылеватые, песчаные);
– химическая: вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения.
Основной причиной суффозионных явлений считается возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины некоторой критической скорости воды. Это вызывает отрыв и вынос частиц во взвешенном состоянии.
Суффозия происходит в глубине массива пород или вблизи поверхности земли. В глубине массива суффозия может возникать также на контакте двух слоев, различных по составу и пористости. При этом мелкие частицы одной породы потоком воды переносятся в поры другой породы.
В лессовых породах суффозия развивается не только на контактах, а и в самих толщах, образуя глиняный, или лессовый карст.
При проектировании строительных объектов необходимо установить возможность проявления суффозионной осадки. Величина суффозионной осадки определяется по результатам полевых испытаний статической нагрузкой после длительного замачивания.
Химическая суффозия может проходить длительное время и выщелачивает не только карбонаты и другие сравнительно легко растворимые вещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс.
Строительство на суффозионных грунтах имеет свои трудности и осуществляется по специальным требованиям строительных норм и правил.

15.2 Карстовые процессы
Это процессы выщелачивания водорастовримых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами и образования в них различных пустот.
Для карстового процесса главным является растворение пород и вынос из них веществ в растворенном виде.
Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и степенью ее минерализации, геологическим строением участка, рельефом местности, трещиноватостью пород, характером растительности, климатом (см. рисунок 24).

Рисунок 24 – образование карстовых воронок

Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы с ангидритами и известняки.
Одним из главных факторов карстообразования является действие воды – атмосферной, речной, подземной. Одним из самых важных условий развития карста является степень водопроницаемости пород. Чем более водопроницаема порода, тем интенсивнее развивается процесс растворения. Вода постепенно разрабатывает трещины в каналы и пещеры. Этот процесс, получивший название коррозии, продолжается до водоупора или уровня подземных вод.
В процессе выщелачивания в карстующихся породах образуются различные по своему положению и форме пустоты, или карстовые формы.
По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и скрытый. При открытом типе карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности земли, а при скрытом они перекрываются слоями нерастворимых водопроницаемых пород и лежат на некоторой глубине.
Из многочисленных форм карста наиболее часто встречаются: 
– карры – мелкие желоба, борозды и канавы на склонах рельефа местности из карстующихся пород в виде известняков; 
– воронки – углубления различных форм и размеров, подразделяются на поверхностные и провальные воронки;
– полья – возникают в результате постепенного объединения воронок или опускания больших участков земной поверхности в результате карстового выщелачивания;
– каверны – образуются в результате растворения пород по многочисленным трещинам. Карстующиеся породы становятся похожими на пчелиные соты;
– пещеры – подземные пустоты, формирование которых связано с растворением пород, сопровождается эрозией и обрушением.
Значение имеет определение степени активности карстового процесса. В связи с этим различают: действующий карст, который развивается в современных условиях; пассивный, или древний карст, развитие которого происходило в прошлом (отсутствует циркуляция воды).


Лекция 16. Инженерно-геологические изыскания. Геологические карты

16.1 Инженерно-геологические исследования
Проводятся для обоснования проектирования, этапов строительства, разведки месторождений полезных ископаемых. В зависимости от назначения инженерно-геологические исследования выполняют: до проектирования, в период строительства, в период эксплуатации.
На уровне "допроектного" исследования изучают участок для строительства, свойства грунтов, наличие строительных материалов. Делают выводы о глубине заложения фундаментов, допустимое давление на грунт, прогнозируют устойчивость сооружения. В период строительства при отрывке котлованов производят сверку наблюдаемых геологических данных с геологическим материалом, полученным в "допроектный" период. При эксплуатации сооружений проводятся наблюдения за характером и величиной режима грунтовых вод, устойчивостью склонов. Устанавливают причины возникновения деформации зданий. Инженерно-геологические работы, проводимые на всех этапах, разделяют на три группы.
1. Подготовительные работы – это изучение архивов данного района.
2. Полевые работы – это съёмка участка, исследование грунтов, изучение подземных вод.
3. Камеральные работы – это обработка полевых материалов, составление отчетов, составление карт и разрезов.

16.2 Геологические карты и разрезы
Геологические карты представляют собой проекцию геологических структур на горизонтальную плоскость. По картам можно судить о площади распространения и условий залегания горных пород. Все карты подразделяются: на карты коренных пород и четвертичных отложений.
Четвертичные отложения покрывают поверхность земли, скрывая коренные породы.
Геологические карты бывают:
Стратиграфическими – указывают границы распространения пород различного возраста. Породы одного и того же возраста на карте обозначают условными буквенными индексами.
Литологическими – отражают состав пород. Каждую породу обозначают типовым условным знаком.
Инженерно-геологическими – отражают сведения о важнейших инженерно-геологических факторах в пределах изучаемой территории. Инженерно-геологические карты классифицируются на 3 вида: 1) инженерно-геологические карты;; 2) карты инженерно-геологического районирования; 3) инженерно-геологические карты специфического назначения.
Инженерно-геологические карты отражают оценку природных условий места строительства.
Карты инженерно-геологического районирования отражают разделение территории на части. 
Инженерно-геологические карты специфического назначения составляют применительно к конкретным видам строительства или сооружения.
Геологические разрезы – это проекция геологического разреза на вертикальную плоскость. На разрезе указывают состав и мощность слоев, гидрогеологические условия. Строятся по данным разведочных выработок и геологическим картам. По выбранной линии разреза строят топографический профиль поверхности. На профиль переносят точки, отражающие места заложения разведочных выработок. Далее на профиль переносят все геологические и гидрогеологические данные. Разрез оформляется в масштабе с указанием всех условных обозначений

16.3 Инженерно-геологические заключения
Составление отчета является заключительным этапом изысканий. Он состоит из общей части, специальной, графического приложения, инженерно-геологической записки. Общая часть – указывает объем, место исследований, характеристику выполненных работ. Описываются все имеющиеся месторождения, их влияние на строительство, дается оценка качества основания.


Лекция 17. Закрепления грунтов

17.1 Область применения закрепления грунтов. Техническая мелиорация

Развитие научно-технической деятельности в области строительства обусловило проявление ряда специфических тенденций, среди которых важнейшими являются следующие:

– разнообразные, нередко ответственные сооружения возводятся в сложных, неблагоприятных грунтовых условиях, что приводит в необходимости изменять физико-механические свойства грунтов основания с тем, чтобы они соответствовали предъявляемым требованиям;

– увеличение числа сооружений (ускорителей элементарных частиц, радиотелескопы, АЭС и др.), когда величины допустимых осадок крайне малы, принуждает переходить на искусственные основания, в таких случаях роль и значение технической мелиорации грунтов трудно переоценить;

– увеличение числа сооружений, оказывающих интенсивное и сложное воздействие на горные породы (высокое удельное давление, нагрев, вибрация, пропитка, кислотами и щелочами), заставляет искать пути повышения сопротивляемости грунтов оснований таким специфическим воздействиям;

– изменение характера и интенсивности воздействия на естественные основания сооружений и предприятий в результате их реконструкции обусловливает необходимость искусственного повышения несущей способности грунтов и их устойчивости в условиях, не предусмотренных прежними проектами;

– в настоящее время возникла насущная необходимость освоения так называемых непригодных земель, особенно в районах крупных городов. Такие участки обычно характеризуются распространением слабых не устойчивых грунтов, требующих специальных мероприятий для увеличения их несущей способности;

– постоянно расширяются масштабы использования грунтов для возведения разнообразных земляных сооружений: основания дорожных покрытий насыпи, дамбы, перемычки, плотины и т.п.; местные грунты часто оказываются непригодными или малопригодными для непосредственного применения, и поэтому существенное значение приобретают возможности химической модификации и стабилизации как средства улучшения их технологических свойств;

– развитие горнодобывающей промышленности, подземной урбанистики, проблема захоронения промышленных отходов и подземного складирования некоторых видов сырья ( нефть, газ, и др.) приводят к увеличению масштабов и интенсивности различных видов подземного строительства; подземные работы в сложных инженерно-геологических условиях в свою очередь заставляют прибегать к специальным методам их ведения, среди которых искусственное закрепление пород занимает важное место.

Подобные и некоторые другие тенденции, интенсифицируя воздействие человека на земную кору, неизбежно приводят к увеличению масштабов и значения искусственного улучшения свойств горных пород, используемых в качестве основания, вместилища и материала для сооружений, поскольку соответствующие методы позволяют полнее использовать внутренние ресурсы грунтов, применять разнообразные инженерные решения, строить быстрее и надежнее.

Современные промышленные объекты, предприятия горной промышленности и гидротехнические сооружения все чаще создаются в сложных инженерно-геологических условиях, которые ранее считались малопригодными даже для значительно менее ответственных сооружений. В настоящее время приходится строить на опасных для возводимых сооружений подрабатываемых территориях: просадочных или набухающих грунтах, в оползневых районах, на болотистых заторфованных отложениях, плывунах и других разновидностях неустойчивых и слабых грунтов. При этом необходимо обеспечить надежность и долговечность возводимых зданий и сооружений, не допуская повышения стоимости строительства.

Сложные грунтовые условия мешают нормальному ходу работ, удорожают строительство, удлиняют его сроки. Ошибки, допускаемые при возведении фундаментов, приводят либо к излишним неоправданным затратам, либо укорачивают сроки службы сооружений, вызывают деформации сооружений, вплоть до их разрушения, что также требует в последующем значительных дополнительных затрат, чем наносится большой ущерб населенным пунктам, промышленным предприятиям, железным и шоссейным дорогам хозяйству.

Все это свидетельствует о громадной экономической значимости вопросов, связанных с совершенствованием метода возведений в сложных грунтовых условиях. В связи с этим наиболее полноценное использование строительных свойств грунтов также является актуальнейшим вопросом современной практики.

Недооценка состояния физико-механических свойств пород основания при строительстве различных сооружений нередко приводит к тяжелым последствиям, катастрофам или выводит из эксплуатации объекты на длительное время. Известно много случаев аварий из-за потери несущей способности пород оснований. Несоответствие инженерно-геологических условий требованиям конкретных видов сооружений приводит к необходимости проведения специальных мероприятий по сохранению устойчивости программируемых сооружений и обеспечению их нормальной эксплуатации в течение всего срока службы.

В настоящее время различают мероприятия двух типов. Первый из них – инженерно-строительные мероприятия. Как известно, далеко не всегда можно осуществить выбор площадок с благоприятными условиями, так как местоположение того или иного сооружения диктуется порой более вескими соображениями, чем инженерно-геологическое благополучие участка строительства. В настоящее время возможности выбора более благоприятных мест еще более ограничены и порой совершенно отсутствуют.

К числу мероприятий инженерно-строительного характера относятся операция по замене слабого грунта надежным, обладающим более высокой несущей способностью. В целом ряде случаев(насыпные, заболоченные, лёссовые грунты) целесообразно использовать свайные основания, которые позволяют прорезать слабый грунт и опереть сооружение на слой грунта, обладающий достаточностью и несущей способностью. Увеличение безопасности эксплуатации сооружений, возводимых в сложных инженерно-геологических условиях, может быть достигнуто системой проектных решений и разработок (например, проектирование сооружения в виде плавающей конструкции, конфигурация и размеры фундамента, увеличение пространственной жесткости сооружения и т.п.). Существуют много других способов и приемов (подпорные стенки, анкера и т.д.), которые обуславливают стабильность сооружений и обеспечивают нормальные условия их эксплуатации.

К инженерно-геологическим мероприятиям (второй тип мероприятий) относятся методы борьбы с основными причинами, которые определяют возникновение и развитие процессов, нарушающих нормальные условия эксплуатации сооружений. Известно, что в основе большинства неблагоприятных инженерно-геологических явлений лежат свойства пород. Поэтому проблема предотвращения недопустимых деформаций пород со всеми последствиями сводится по существу к проблеме целенаправленного изменения их физико-механических свойств.

Потребность в проектировании и выполнении искусственного улучшения мелиорации пород возникает обычно из-за неблагоприятных свойств пород, которые влияют на устойчивость сооружений, на условия производства строительных и горных работ и развитие геологических процессов. Основные причины, вызывающие необходимость мелиорации пород, встречающихся в поверхностной зоне земной коры:

– пустотность, трещиноватость, пористость скальных пород и массивов, что повышает их деформируемость, водопроницаемость, растворимость, выветриваемость, а также обуславливает их водоносность и водообильность;

– недостаточная плотность, значительная обводненность при отсутствии структурного сцепления рыхлых несвязных горных пород, что вызывает значительные и неравномерные осадки, обуславливает фильтрационную неустойчивость и склонность переходить в плывунное состояние и определяет существенные притоки воды к строительным котлованам и подземным сооружениям;

– высокая пористость и неводостойкость структурных связей лёссовых пород при низкой естественной влажности–основные причины просадочных явлений и размываемости;

– повышенное влагосодержание, малая плотность и специфика состава, состояния и структурных связей глинистых пород, что обусловливает их малую прочность, низкую несущую способность и деформируемость.

Техническая мелиорация грунтов - раздел современной геологии, связанный с разработкой теории, методики и методов целенаправленного изменения свойств горных пород и массивов для решения различных инженерных задач в области строительного дела.

На основе принципиальных и технологических различий принято выделять два направления:

– улучшения состояния и свойств массивов пород на месте их естественного залегания (мелиорация пород);

– создание грунтовых материалов на основе механической переработки и химической модификации грунтов (технология грунтов).

Мелиорация пород применяется: для защиты поверхностных и подземных выработок; усиления оснований зданий и сооружений; предупреждения деформаций склонов и откосов; устройства профильтрационных завес и экранов; увеличения несущей способности свай и анкерных устройств.

Реализация методов мелиорации пород обусловливает формирование участков геологической среды, выполненных искусственно измененными грунтами с необходимыми для успешного возведения и эксплуатации сооружений комплексом физико-механических и фильтрационных свойств.

Химические способы инъекционного закрепления грунтов наиболее широкое распространение при строительства подземных сооружений с целью создания временных водонепроницаемых перемычек и несущих конструкций в сложных гидрогеологических условиях применяется способ искусственного замораживания грунтов.

Технологическая переработка грунтов применяется при создании дорожно-строительных материалов, а также при устройстве экранов и стенок; при этом широко используются грунты в качестве основного местного материала. Изменение свойств грунтов в этом случае сопровождается рядом последовательных технологических операций: размельчение грунта, введение воды и вяжущих веществ, перемешивание и уплотнение смеси. Переработка дисперсных грунтов в результате совокупного воздействия добавок вяжущих (цемента, битума, извести), химических реагентов и комплекса технологических мероприятий обеспечивает формирование материала с высокой прочностью и устойчивостью в условиях переменного увлажнения - высыхания и замораживания - оттаивания. В настоящее время технологической обработке в строительных целях ежегодно подвергаются сотни тысяч кубических метров разнообразных грунтов. Значительный объем работ с применением укрепленных грунтов выполняется при строительстве аэродромов в различных климатических зонах.

Техническая мелиорация представляет собой науку о законах и методах управления физическим состоянием и свойствами главным образом структурно неустойчивых грунтов, таких, как слабые водонасыщенные, набухающие, просадочные, трещиноватые и выветрелые, растворимые, органические и т. п. Она находится на стыке нескольких областей науки и техники и поэтому наибольших успехов можно ожидать только на основе достижений:

- Геологии (грунтоведение, механика грунтов, инженерная геодинамика, гидродинамика, гидрогеохимия, геохимия, геофизика);

- Физической и коллоидной химии (химическая термодинамика и кинетика, учение о растворах, поверхностные процессы, устойчивость коллоидных систем, массоперенос);

- Технологической науки (технология вяжущих, технология гидротранспорта и приготовление смесей, геотехнология);

- Строительного дела (основания и фундаменты, производство работ, строительные материалы, машины и механизмы).

Развитие теоретических представлений, методики и практических приложений в области моделирования тесно связано с разработкой современных методов контроля качества закрепления и натурных определений параметров формирующих систем.

В области совершенствования и обновления важнейших технологий представляется целесообразным отметить прогрессивность разработок в следующих направлениях.

1 .Армирование и предварительное напряжение грунтов и грунтовых масс на основе специфических конструктивных решений с использованием различных технологий. К числу таких конструкций относятся свайные и траншейные стены и противофильтрационные диафрагмы из различных материалов, буронабивные и буроинъекционные сваи и анкеры, пространственные конструкции из крупнообломочных и закрепленных грунтов, армирование и предварительное напряжение грунтовых масс.

2.Создание принципиально новых типов отечественного инъекционного оборудования, позволяющего успешно осуществлять инъекцию быстро – твердеющих, кислых, аэрированных и вспененных растворов, в том числе на основе органических и органосиликатных композиций. Создание и обновление технических средств ведения инъекционных работ как на больших глубинах в условиях повышенного давления и температуры, так и в приповерхностных условиях в целях распространения этого прогрессивного метода на объекты автодорожного, железнодорожного и других видов поверхностного строительства. Качественные технологические изменения в области инъекции грунтов тесно связаны с процессом в синтезировании инъекционных растворов и гелей, применяемых в сложных лито– и гидрохимических условиях, и обладающих высокими технологическими свойствами.

3.Совершенствование и обновление методов технической мелиорации

грунтов, основанных на реализации комплексного воздействия (электросиликатизация, электрохимическое закрепление, термохимическое упрочнение, комплексные вяжущие). Осуществление параллельной или последовательной обработки грунтов физическими реагентами обычно позволяет резко улучшить качество закрепления, а также расширяет область применения за счет грунтов, не поддающихся мелиорации при использовании каждого индивидуального типа воздействия. Процесс в этой весьма перспективной области сдерживается в настоящее время главным образом из-за недостаточной разработки теории происходящих процессов, а также в силу недостатка специализированного серийного оборудования, приспособленного для реализации комплексных методов. Понятно, что эти две причины взаимосвязаны, и потому приоритет необходимости фундаментальных научных исследований в данном случае очевиден.


17.2 Методы закрепления грунтов.

Закрепление грунтов заключается в искусственном преобразовании строительных свойств грунтов в условиях их естественного залегания разнообразными физико-механическими методами. В процессе закрепления между частицами грунта возникают прочные структурные связи за счет инъекцирования в грунт и последующего твердения определенных реагентов. Это обеспечивает увеличение прочности грунтов, снижение их сжимаемости, уменьшение водопроницаемости и чувствительности к изменению окружающей среды особенно влажности. Важным условием применимости инъекционных методов закрепления является достаточно высокая проницаемость грунтов.

Методы инъекционного закрепления грунтов, не сопровождаемые механическими, в особенности динамическими воздействиями, в основном применяют для усиления оснований сооружений, защиты существующих зданий и сооружений при строительстве новых, в том числе подземных сооружений, создания противофильтрационных завес. Вследствие их высокой стоимости целесообразность применения методов закрепления грунтов на вновь осваиваемых строительных площадках должна обосновываться технико-экономическим расчетом.

Цементация грунтов. Этот метод применяют для упрочнения насыпных грунтов, галечниковых отложений, средних и крупнозернистых песков при коэффициенте фильтрации упрочняемых грунтов 80 м/сут. Цементацию используют также для заполнения карстовых пустот, закрепления и уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных грунтов.

Цементационный раствор обычно состоит из цемента и воды при водоцементном отношении 0,4.... 1,0. Для цементации грунтов применяют забивные инъекторы или инъекторы-тампоны, опускаемые в пробуренные скважины. Инъекторы представляют собой трубу диаметром 25.... 100 мм, снабженную перфорированным звеном длинной 0,5.....1,5 м. После погружения инъекторы в грунт или скважину в трубу под давлением подается чистая вода и скважина промывается. Затем через трубу подается цементный раствор, который, проникая в грунт, цементирует его.

При цементации карстовых пустот и трещиноватой скалы применяют цементный раствор при небольшом водоцементном отношении. Кроме того в раствор часто добавляют песок. Радиус закрепления грунта, давление нагнетания, расход цементного раствора и прочность зацементированных грунтов определяют в процессе опытных работ.

Метод цементации применяют также для усиления конструкции самих фундаментов. Для этого в теле фундаментов пробуриваются шпуры, через которые в материал или кладку фундамента под высоким давлением нагнетается цементный раствор

Силикатизация грунтов. Применяют для химического закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 80м/сут макропористых просадочных грунтов с коэффициентом фильтрации от 0,2 до 2,0 м/сут и отдельных видов насыпных грунтов. Сущность метода заключается в том, что в грунты нагнетается силикат натрия в виде раствора (жидкое стекло), которым заполняется поровое пространство и при наличии отвердителя образуется гель, твердеющий с течением времени.

Песчаные грунты с коэффициентом фильтрации 2...80 м/сут. закрепляются двухрастворным способом силикатизации, разработанным Б.А.Ржаницыным. Способ заключается в следующем: в грунт погружаются инъекторы, представляющие собой трубы диаметром 38 мм с нижним перфорированным звеном длинной 0,5... 1,5 м. Через инъекторы в грунт нагнетается раствор силиката натрия под давлением до 1,5 МПа. Через соседнюю трубу нагнетают раствор хлористого кальция. Инъекторы располагают попарно на расстоянии 15.. .25 см друг от друга. Иногда оба раствора нагнетаются поочередно через один и тот же инъектор. Раствор силиката натрия вводится в грунт заходками 1м по глубине при погружении инъектора. Затем такими же заходками, но уже в процессе извлечения инъектора производится нагнетание второго раствора. Радиус закрепления грунта составляет 30... 100 см. Процесс гелеобразования протекает очень быстро. После полного твердения геля, на что требуется 28 дней, закрепленный песчаный грунт приобретает прочность на одноосное сжатие 2.. ..5 МПа.

При закреплении мелких песков и плывунов, имеющих коэффициент фильтрации в пределах 1,5...1,0 м/сут, в грунт нагнетается подготовленный заранее гелеобразующий раствор, представляющий собой смесь растворов закрепителя и отвердителя. Варьируя состав отвердителя, можно регулировать в широких пределах (от20...30 мин до10...16 ч) время гелеобразования. Для обеспечения необходимого радиуса закрепления в малопроницаемых грунтах применяются рецептуры с большим временем гелеобразования. Прочность гелей кремниевой кислоты по однорастворным рецептурам невелика. Закрепленные им пески и плывуны приобретают прочность на одноосное сжатие порядка 0,2 МПа, за исключением кремнефторсиликатной рецептуры, придающей прочность до 2...4 МПа, и силикатно-органических рецептур.

Силикатизация эффективна для закрепления макропористых лессовых грунтов вследствие их высокой прони­цаемости. Особенностью силикатизации лессов является то, что в их состав входят соли, выполняющие роль отвердителя жидкого стекла. Поэтому силикатизация лессов проводится классическим однорастворным методом, осуществляемым инъекцией в толщу лессовых грунтов раствора силиката натрия. Процесс закрепления происходит мгновенно, прочность растет очень быстро и может составлять для закрепленного массива 2 МПа и более. Закрепление водоустойчиво, что обеспечивает ликвидацию просадочных свойств

В нашей стране по предложению В.Е.Соколовича применяют газовую силикатизацию песчаных и макропористых лессовых грунтов, основанную на использовании в качестве отвердителя жидкого стекла углекислого газа (диоксида углерода). Технология способа состоит в том, что в грунт через забитые инъекторы или специально оборудованные скважины нагнетается углекислый газ для предварительной активации грунта, затем раствор силиката натрия и вторично углекислый газ для отверждения. Прочность закрепленных методом газовой силикатизации песков составляет 0,8... 1,5 МПа, лессовых грунтов – 0,8...1,2 МПа.

Для сплошного закрепления массива грунта инъекторы располагают в шахматном порядке. Расстояние между рядами инъекторов определяют по формуле: а=1,5r, а расстояние между инъекторами в ряду - по формуле: а=1,73r, где r - радиус закрепления, меняющийся в зависимости от рецептуры закрепляющих растворов и коэффициента фильтрации грунта в пределах 0,3... 1,0 м.

Уточнение технологической схемы и параметров закрепления грунтов производится путем проведения опытных работ. Качество закрепления грунтов проверяют бурением контрольных скважин с отбором кернов, вскрытием шурфов с отбором образцов, определением удельного водопоглащения, методами электро-каротажа и зондирования.

Смолизация. Метод закрепления грунтов смолами получил название смолизации. Сущность его заключается во введении в грунт высокомолекулярных органических соединений типа карбомидных, фенолформальдегидных и и других синтетических смол в смеси с отвердителями - кислотами, кислыми солями.

Через определенное время в результате взаимодействия с отвердителями смола полимеризуется. Обычное время гелеоб-разования 1,5...2,5 ч при времени уплотнения до 2 сут. Метод смолизации рекомендуется для закрепления сухих и водонасыщенных песков с коэффициентом фильтрации 0,5...25 м/сут. Прочность на одноосное сжатие закрепленного карбомидной смолой песка колеблется в пределах 1.. .5 МПа и зависит в основном от концентрации смолы в растворе.

Организация работ по закреплению грунтов смолами аналогична организации работ по силикатизации. Радиус закрепленной области основания составляет 0,3... 1,0м в зависимости от коэффициента фильтрации песка. Метод относится к числу дорогостоящих. Закрепление карбомидными смолами успешно применялось при строительстве Новолипецкого завода, Харьковского метрополитена.

Глинизация и битумизация. Глинизацию применяют для уменьшения водопроницаемости песков. Технология глинизации заключается в нагнетании через инъекторы, погруженные в песчаный грунт, водной суспензии бентонитовой глины с содержанием монтмориллонита не менее 60%. Глинистые частицы, выпадая в осадок, заполняют поры песка, в результате чего его водопроницаемость снижается на несколько порядков.

Битумизацию применяют в основном для уменьшения водопроницаемости трещиноватых скальных пород. Метод сводится к нагнетанию через скважины в трещиноватый массив расплавленного битума или специальных битумных эмульсий. При этом происходит заполнение трещин и пустот, и массив становится практически водонепроницаемым.

Электрохимическое закрепление грунтов. Метод применяют для закрепления водонасыщеных пылевато-глинистых грунтов в сочетании с электроосмосом. В этом методе через аноды в грунт подают растворы солей многовалентных металлов, которые, соединяясь с глинистым грунтом, коагулируют глинистые частицы. Создаются глинистые агрегаты, сцементированные между собой гелями солей железа и аллюминия. При этом прочность грунтов существенно возрастает, резко снижается их способность к набуханию.

Термическое закрепление грунтов. Применяют для упрочнения маловлажных пылевато-глинистых грунтов, обладающих газопроницаемостью. Наиболее часто этот метод используется для устранения просадочных свойств макропористых лессовых грунтов. Глубина закрепляемой толщи достигает 20 м.

Сущность метода термической обработки заключается в том что через грунт в течение нескольких суток пропускают раскаленный воздух или раскаленные газы. Под действием высокой температуры отдельные минералы, входящие в состав скелета, оплавляются. В результате этого образуются прочные водостойкие структурные связи между частицами и агрегатами грунта. Кроме того, при обжиге грунты теряют значительную часть химически связанной воды, что изменяет свойства грунтов и уменьшает или полностью ликвидирует просадочность, размокаемость, способность к набуханию.

Температура газов, которыми производится обработка грунта, не должна превышать 750...850 градусов по Цельсию. Если температура газов окажется выше, стенки скважин оплавляются и становятся газонепроницаемыми. При температурах ниже 300 град. ликвидация просадочности лессов не происходит.

Существуют различные способы, оборудование и технологические схемы термического закрепления.

Одна из технологий заключается в следующем. Пробуривают скважины диаметром 100...200 мм, которые закрывают специальными керамическими затворами. В затворе оборудуется камера сгорания, к которой подают топливо (горючие газы, соляровое масло, нефть и т.п.) и воздух под давлением. Для обеспечения заданной температуры обжига необходимо, чтобы количество воздуха, нагнетаемого в скважину, было не меньше установленной величины. Для поддержания температуры 750….800 расход воздуха на 1 кг горючего составляет 34,..39 м3. При указанном количестве воздуха и средней газопроницаемости грунта порядка 25 м3/ч количество сгораемого горючего на один метр длины скважины не должно превышать 0,85 кг/ч. Термическая обработка производится непрерывно на протяжении 5..12 суток. После обработки скважины аппаратуру затворов снимают и переставляют на скважины следующего участка.

В результате термической обработки получается упрочненный конусообразный массив грунта диаметром поверху 1,5...2,5м, а понизу на глубине 8... 10 м около 0,2...0,4 диаметра поверху. Образуется как бы коническая свая из обожженного непросадочного грунта с прочностью до 10 МПа. Каждая такая свая вследствие понижения температуры по мере удаления от скважины окружена оболочкой просадочного грунта в пределах зоны температур ниже 300 град.

Применяется также другая технология, которая позволяет сжигать топливо в любой по глубине части скважин, в том числе и в нижней части. В результате этого можно создавать обожженные грунтовые массивы (термосваи) постоянного сечения, с уширением внизу или вверху. Сроки обжига в этом случае несколько сокращаются, упрощается технология работ.

Способ состоит в том, что по длине скважины передвигается камера сгорания, позволяющая обжигать грунт на любом участке скважины. Участок обжига отделяется от всей остальной части скважины жароупорными диафрагмами-отсекателями. Так, при применении жидкого или газообразного топлива форсунка для его сжигания устанавливается в верхней части передвижной камеры сгорания непосредственно под нижней регулируемой раздвижной диафрагмой.

Грунты обжигают в виде отдельных грунтостолбов под фундаменты колонн промышленных цехов или гражданских зданий, а в некоторых случаях производят обжиг грунтового массива в основании всего здания. В этом случае грунтостолбы размещают таким образом, чтобы обожженные зоны соприкасались между собой.

Контроль процесса термического закрепления сводится к определению количества тепла, которое прошло через скважину в окружающий грунт. После окончания работ отбирают образцы закрепленного грунта на различном расстоянии от скважины и испытывают их в лабораторных условиях. При термическом закреплении массива в виде отдельных термосвай рекомендуется проведение опытного закрепления с испытанием термосвй статической нагрузкой. При сплошном обжиге грунтов в основании, когда грунтостолбы соприкасаются друг с другом, испытывают обожженный массив штампами площадью не менее 10000 см2.