Минобрнауки России Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет» Интернет-институт ТулГУ Кафедра «Геоинженерии и кадастра» Контрольная работа по дисциплине «Основы инженерной геологии и гидрогеологии» Выполнил: Проверил: Тула, 2022 г. СОДЕРЖАНИЕ 2 ВВЕДЕНИЕ 3 1. Земля в мировом пространстве и ее происхождение. 5 2. Методика диагностирования минералов с пояснением каждого свойства. 10 3. Геологическая деятельность вод поверхностного стока. 13 4. Виды воды в горных породах. 16 5. Параметры депрессионной воронки. 20 6. Сдвиговые характеристики песчано-глинистых пород. 28 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 32 Введение 3 Гидрогеология и инженерная геология – научные дисциплины, изучающие взаимодействие подземных вод и горных пород, химические и физико-механические свойства подземных вод как сложных растворов и горных пород как многофазных систем, а также процессы, развивающиеся в толщах (массивах) горных пород при различных видах инженерной деятельности. Гидрогеология и инженерная геология – прикладные геологические дисциплины тесно связанные со смежными отраслями знаний – геологией, физикой, химией, математикой, механикой, гидрологией, мелиорацией, горным и строительным делом. Современная инженерная геология – это разветвленная область знаний, объединяющая учение о свойствах горных пород и их толщ (массивов) как оснований сооружений, среды производства инженерных работ и размещения сооружений, а также учение о геодинамических условиях их возведения и эксплуатации. Инженерная геология – это наука о геологической среде – о ее свойствах, строении и динамике. О рациональном использовании геологической среды и ее охране, в связи с инженерно-хозяйственной, прежде всего, инженерно-строительной деятельностью человека. Таким образом, предметом инженерной геологии является геологическая среда. Что же это такое? По определению Е.М.Сергеева, геологическая среда – это любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть разреза литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентные системы (твердая часть, воды, газы, микроорганизмы), находящиеся под воздействием инженернохозяйственной деятельности человека. Это приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определенной территории. История развития инженерной геологии как науки началась в 1920- х годах, развитие этого направления на первых этапах его возникновения, было связано с потребностями гидротехнического строения, с воплощением в жизнь Ленинского плана ГОЭРЛО. Большой вклад в развитие науки внесли ученые Ф.П. Саваренский, В.А. Приклонский, Г.Н. Каменский, И.В. Попов, Н.Н. 4 Маслов, Л.Д. Белый, Н.В. Коломенский, В.Д. Ломтадзе, Г.С. Золотарев, Г.К. Бондарик и др. Гидрогеология является частью геологии и изучает подземные воды на основе анализа истории развития земной коры в тесной связи с горными породами, слагающими литосферу, и ее структурными особенностями. Иначе говоря, гидрогеология – это наука о геологии воды. В 1933г. академик Ф.П. Саваренский дал следующее, наиболее полное по тому времени определение гидрогеологии: «Гидрогеология имеет предметом изучения подземные воды, их происхождение, условия залегания, движения, свойства и условия, определяющие те или иные технические мероприятия по использованию подземных вод, регулированию их или удалению». 1. Земля в мировом пространстве и ее происхождение 5 1.1 Земля в мировом пространстве Земля входит в систему планет и других небесных тел, вращающихся вокруг звезды, названной Солнцем. Солнечная система – лишь одна из многих подобных систем во Вселенной. Земля – одно из девяти небесных тел (планет), движущихся в космическом пространстве вокруг Солнца. Планеты составляют основу Солнечной системы. Идею Солнечной системы выдвинул в 1543 году польский астроном Николай Коперник, опровергнув господствовавшее на протяжении многих веков представление, что Земля – центр Вселенной. Планеты находятся на разных расстояниях от Солнца и вращаются вокруг него по эллиптическим орбитам с разной скоростью, в одном направлении и почти в одной плоскости. Они расположены в следующем порядке от светила: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Земля. 1. Знакомство с индивидуальными особенностями тел планетного типа мы начнем с «двойной планеты», как нередко называют систему ЗемляЛуна. Эти два тела, несмотря на их совместное происхождение, весьма различны по своим характеристикам. Многочисленные фотографии Земли получены с борта космических аппаратов дают возможность увидеть три основные оболочки земного шара: атмосферу (атмосфера-газообразная оболочка, окружающая Землю) и ее облака, гидросферу (гидросфера – водная оболочка Земли) и литосферу (литосфера – это твердая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии) с ее природными покровами. Соответствующие этим оболочкам три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное – являются привычными для нас, жителей Земли. Атмосфера есть у большинства планет Солнечной системы, твердая оболочка характерна для планет земной группы, спутников планет и астероидов. В то же время гидросфера Земли – уникальное явление в Солнечной системе; ни у одной другой планеты гидросферы нет. Вода является весьма распространенным химическим соединением во Вселенной, но на других небесных тела мы встречаем воду лишь в твердом состоянии, известном и на Земле в виде снега, инея и льда. Дело в том, что в жидком виде вода может существовать только в том случае, когда ее температура не ниже 0°С и не выше 100°С. Для того, чтобы на планете был такой температурный режим, она должна находиться не слишком близко к Солнцу, Но и не слишком далеко от него. Наша планета оказалась расположенной в этой благоприятной зоне. Благодаря наличию жидкой воды на Земле стало возможным развитие жизни, что, в конце концов, привело к появлению разумного существа – человека. Моря и океаны существенно влияют на 6 тепловой режим планеты вследствие очень большой теплоемкости воды. Кроме того, вода, видимо, сыграла важную роль в формировании атмосферы Земли, поглотив значительное количество углекислого газа, который содержался в первичной атмосфере Земли миллиарды лет тому назад. Насыщению атмосферы Земли кислородом и поглощению углекислого газа способствовала также жизнедеятельность растений. 2. Около 90% массы атмосферы Земли приходится на ее приземной слой – тропосферу (тропосфера – нижний слой земной атмосферы), которая простирается до высоты 16 – 18 км в экваториальных широтах и 8-10 км – в полярных. Именно в этой части атмосферы происходят основные метеорологические явления: образование облаков и выпадение осадков, разряды атмосферного электричества (молнии) и перемещения воздушных масс, называемые ветрами. Периодические изменения температуры в средних широтах связаны со сменой времен года, а непериодические, внутри-сезонные изменения происходят в результате сложных метеорологических процессов, главным образом возникновения и перемещения циклонов и антициклонов. Воздух представляет собой смесь газов, в которой у поверхности Земли основную массу составляет азот (78%) и кислород (21%). Оставшийся 1% приходится почти целиком на долю аргона; углекислого газа уже значительно меньше (0,03%). Незначительное количество составляют инертные газы и водород, вода в виде пара, капелек или кристалликов, а также пылинки. Температура, плотность и давление в тропосфере с высотой уменьшаются. На высоте 8 км давление примерно в 3 раза меньше, чем на уровне моря. На высоте 100 км давление и концентрация молекул уменьшаются примерно в миллион раз по сравнению с их значениями на уровне моря. Следующее уменьшение концентрации в миллион раз достигается на высоте около 500 км, где в единице объема молекул в 10№І раз меньше, чем на уровне моря. Уменьшение давления с высотой происходит медленнее при боле высокой температуре и меньшей массе молекул. Таким образом, концентрация легких элементов должна медленнее падать с высотой, а их относительное содержание должно возрастать. 3. На высотах 400 – 500 км атмосфера состоит главным образом из атомарного кислорода. Выше 700 км основными составляющими становятся водород и гелий, а самые внешние области атмосферы, называемые геокороной, которые простираются до расстояний в несколько земных радиусов, состоят из атомов и ионов водорода. Тепло поступает в атмосферу главным образом от нагретой Солнцем земной поверхности и передается вверх посредством конвективного движения воздуха. Существенную роль играет также выделение тепла при конденсации водяного пара в верхнем облачном слое. Водяной пар чаще всего 7 конденсируется на высоте 1 – 2 км, где температура, как правило, на 10-15° ниже, чем в приземном слое воздуха. Падение температуры с высотой вблизи верхней границы тропосферы замедляется, а затем в слое толщиной около двух километров температура остается постоянной, порядка от -40°С до -60°С. Этот слой отделяет тропосферу от расположенной до высоты около 50 – 55 км стратосферы*, температура которой меняется примерно от -70 С до 10–12° С в ее верхнем слое. Существенную роль играет расположенный в стратосфере слой озона (О3), который поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца и тем защищает животный и растительный мир нашей планеты. На высоте около 80 км температура постепенно понижается до наиболее низкого уровня (около 100°С). Выше расположена термосфера, в которой происходит быстрый рост температуры с высотой за счет поглощения солнечного ультрафиолетового излучения. Рост температуры прекращается примерно на высоте 200 – 300 км, так как здесь поглощение солнечного излучения уже незначительно. На высотах 800 – 1000 км начинается самый внешний слой атмосферы, называемый экзосферой, где концентрация частиц очень мала – менее 10000000 частиц в 1 см. 4.Атмосфера надежно защищает жизнь на нашей планете, поглощая (рассеивая) значительную часть поступающих от Солнца ультрафиолетового и рентгеновского излучений, большие дозы которых вредны для человека и других живых организмов. Кроме того, благодаря так называемому парниковому эффекту атмосфера обеспечивает на Земле благоприятный температурный режим, снижает амплитуду изменений температуры от дня к ночи. Сущность парникового эффекта заключается в том, что атмосфера хорошо пропускает поступающий от Солнца видимый свет, нагревающий земную поверхность. В то же время тепловое (инфракрасное) излучение самой поверхности в значительной степени поглощается содержащимися в воздухе молекулами воды и углекислого газа. Поэтому температура приземного слоя воздуха на несколько градусов выше той, какая была бы в отсутствие парникового эффекта. Хорошо известно, например, что в пасмурную погоду в ночное время охлаждение почвы и воздуха происходит менее интенсивно, чем при ясном безоблачном небе, когда случаются заморозки. Ультрафиолетовое излучение вызывает ионизацию кислорода и азота, т. е. образование ионов и электронов в верхней атмосфере. Эта часть атмосферы (выше 80 км), где газы ионизированы, называется ионосферой. Наличие заряженных частиц является признаком того, что атмосфера в этих слоях представляет собой плазму. Являясь в целом нейтральной, плазма, тем не менее, ведет себя иначе, чем газ, состоящий из нейтральных частиц. Это происходит потому, что электроны более подвижны, чем массивные ионы, и быстрее реагируют 8 на изменения электрического и магнитного полей. Поэтому ионосфера преломляет, отражает и поглощает радиоволны. 5. Современное состояние литосферы Земли и химический состав ее вещества являются результатами тех изменений, которые происходили на протяжении нескольких миллиардов лет. За счет энергии, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов, происходили расплавление и дифференциация вещества нашей планеты. В результате легкие соединения, в основном силикат, оказались сверху – в коре, а более тяжелые железоникелевые сплавы образовали вокруг центра планеты ее ядро, внешняя часть которого находится в жидком состоянии. Температура в центральной части Земли составляет около 6000°С. Толщина твердой коры очень невелика: от 10 км под океанами до 80 км под горными хребтами на материках. Ядро имеет радиус вдвое меньший радиуса всей планеты, а между ядром и корой располагается мантия, состоящая из веществ более плотных, чем вещества в коре (см. рис. 2,3). Таково же в основном и внутреннее строение Луны, а также планет земной группы, которые отличаются друг от друга толщиной коры, размерами ядра, температурой и другими физическими условиями в их недрах. При сравнении внешнего облика планет земной группы с Землей следует иметь в виду, что 2/3 поверхности нашей планеты скрыто под водой. С помощью эхолотов. Определяющих глубину по времени возвращения отраженного от дна звукового сигнала, был в последние 15 – 20 лет исследован подводный рельеф. В целом он оказался весьма не похож на рельеф материков: выявлены опоясывающие весь земной шар срединно-океанические хребты, поднимающиеся на высоту 4 км, узкие ущелья с крутыми стенками, островные дуги. 1.2 Как возникла Земля. Человек издавна стремился познать мир, который его окружает, и прежде всего Землю – наш дом. Как возникла Земля? Этот вопрос волновал человечество не одно тысячелетие. Первые гипотезы, т. е. научные предположения, о возникновении Земли стали появляться только в XVII в., когда наука накопила достаточное количество сведений о нашей планете и о Солнечной системе. Познакомимся с некоторыми из этих гипотез. Французский ученый Жорж Бюффон* (1707 – 1788) предположил, что земной шар возник в результате катастрофы. В очень отдаленное время какое-то небесное тело (Бюффон считал, что это была комета*) столкнулось с Солнцем. При столкновении возникло множество «брызг». Наиболее крупные из них, постепенно остывая, дали начало планетам. По-другому объяснял возможность образования небесных тел немецкий ученый Иммануил Кант* (1724 – 1804). Он предположил, что Солнечная система произошла из гигантского 9 холодного пылевого облака. Частицы этого облака находились в постоянном беспорядочном движении, взаимно притягивали друг друга, сталкивались, слипались, образуя сгущения, которые стали расти и со временем дали начало Солнцу и планетам. Пьер Лаплас* (1749 – 1827), французский астроном и математик, предложил свою гипотезу, объясняющую образование и развитие Солнечной системы. По его мнению, Солнце и планеты возникли из вращающегося раскаленного газового облака. Постепенно остывая, оно сжималось, образуя многочисленные кольца, которые, уплотняясь, создали планеты, а центральный сгусток превратился в Солнце. В начале нашего столетия английский ученый Джеймс Джинс (1877 – 1946) выдвинул гипотезу, которая так объясняла образование и развитие планетной системы: когда-то вблизи Солнца пролетала другая звезда, которая своим тяготением вырвала из него часть вещества. Сгустившись, оно дало начало планетам. Наш соотечественник, известный ученый Отто Юльевич Шмидт* (1891 – 1956) в 1944 г. предложил свою гипотезу образования планет. Он полагал, что миллиарды лет назад Солнце было окружено гигантским облаком, которое состояло из частичек холодной пыли и замерзшего газа. Все они обращались вокруг Солнца. Находясь в постоянном движении, сталкиваясь, взаимно притягивая друг друга, они как бы слипались, образуя сгустки. Постепенно газово- пылевое облако сплющивалось, а сгустки стали двигаться по круговым орбитам. Со временем из этих сгустков и образовались планеты нашей Солнечной системы. Нетрудно заметить, что гипотезы Канта, Лапласа, Шмидта во многом близки. Многие мысли этих ученых легли в основу современного представления о происхождении Земли и всей Солнечной системы. Сегодня ученые предполагают, что Солнце и планеты возникли одновременно из межзвездного вещества – частиц пыли и газа. Это холодное вещество постепенно уплотнялось, сжималось, а затем распалось на несколько неравных сгустков. Один из них, самый большой, дал начало Солнцу. Его вещество, продолжая сжиматься, разогревалось. Вокруг него образовалось вращающееся газово-пылевое облако, которое имело форму диска. Из плотных сгустков этого облака возникли планеты, в том числе и наша Земля. Как видите, представления ученых о возникновении Земли, других планет и всей Солнечной системы менялись, развивались. Да и сейчас остается много неясного, спорного. Ученым предстоит разрешить немало вопросов, прежде чем мы достоверно узнаем, как возникла Земля. 2. Диагностические свойства минералов. 10 Простейшие свойства, используемые для визуального определения минералов, называют диагностическими свойствами, или признаками. К ним относятся цвет, цвет черты минерала, блеск, твердость, спайность и др. Цвет минералов- В настоящее время различают три вида окраски минералов: идиохроматическую, аллохроматическую, псевдохроматическую. Идиохроматическая окраска обусловлена кристаллохимическими особенностями минерала и вызывается вхождением в состав хромофоров (элементов носителей окраски). Минералы всегда обладают постоянным цветом. Например, хлорит (греч. "хлорос"-. зеленый), рубин (лат, "рубер" красный), гематит (греч, "гематикос" - кровавый). Аллохроматическая окраска не зависит от кристаллохимической природы, а связана с тонкорассеянными в нем посторонними механическими примесями, окрашенными в те или иные тона. Цвет минерала не постоянен. Например, бесцветный кварц может быть окрашен в фиолетовые (аметист), золотисто желтые (цитрит), черные (морион) и другие тона. Если красящий пигмент распределен в минерале неравномерно, возникает пестрая неравномерная окраска, (агат, яшма). Псевдохроматическая, или ложная, окраска вызывается оптическими эффектами, чаще всего интерференцией падающего света при его отражении – от трещин, включений в минералах, тонких пленок на их поверхности (облицовочный камень лабрадорит). Это явление называют иризацией. Иризирующие пестроокрашенные пленки часто наблюдаются на слегка окислившейся поверхности халькопирита, борнита. Такие пленки называют побежалостями. Цвет черты минерала на матовой фарфоровой пластинке или цвет минерала в порошке может совпадать с собственным цветом минерала (у красной киновари – черта красная, у черного магнетита – черная) или отличаться от него (у латунно-желтого пирита – черта черная, у стальносерого гематита – красновато-бурая и т.д.). Цвет черты имеет смысл определять для непрозрачных или полупрозрачных ясноокрашенных минералов, твердость которых меньше твердости фарфоровой пластинки. Для некоторых минералов цвет черты является важным диагностическим признаком. Например, сфалерит всегда дает желтовато-коричневую черту, по которой легко отличается от галенита, имеющего черную черту. Блеск минералов. Эта характеристика является достаточно объективным диагностическим признаком, так как зависит от показателя преломления и показателя отражения. Интенсивность блеска тем больше, чем выше показатель преломления минерала. 11 Стеклянный – напоминает блеск стекла, характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов с показателями преломления 1,3 - 1,9 (флюорит, полевые шпаты, карбонаты и др). Алмазный – достаточно сильный искрящийся блеск; характерен для минералов с показателем преломления 1,9 - 2,6 (алмаз, сфалерит касситерит, циркон и др.). Полуметаллический - сходный с блеском потускневшей поверхности металла, характерен для полупрозрачных минералов с показателями преломления от 2,6 до 3,0 (киноварь, гематит, графит и др.). Металлический, напоминающий блеск гладкой поверхности металла, характерен для непрозрачных минералов с показателем преломление больше 3,0 (пирит, галенит, молибденит, халькопирит и др.). Прозрачность. По этому признаку минералы делят на прозрачные хорошо пропускающие падающий на них свет, через которые отчетливо видны предметы (горный хрусталь, исландский шпат); полупрозрачные, через которые видны только очертания предметов, просвечивающие, через которые свет проходит лишь в тонком слое (полевые шпаты) и непрозрачные, через которые свет не проходит (абсолютное большинство сульфидов, многие оксиды, самородные металлы). Твердость - способность минералов противостоять внешнему механическому воздействию более прочного тела. Обычно в минералогии определяется относительная твердость путем царапания одного минерала другим. Для этих целей используется шкала твердости Мосса, в которую входят следующие 10 минералов, расположенные в порядке увеличения твердости: тальк - 1, гипс - 2, кальцит -3, флюорит - 4, апатит - 5, ортоклаз 6, кварц - 7, топаз - 8, корунд - 9, алмаз - 10. Спайность и излом. Спайностью – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным кристаллографическим направлениям с образованием ровных плоскостей, называемых плоскостями спайности. Плоскости спайности ориентированы параллельно действительным или возможным граням кристалла. Это свойство всецело зависит от внутреннего строения минералов и проявляется в тех направлениях, в которых наблюдаются наименьшие силы сцепления между материальными частицами. Названия ряду минералов даны в зависимости от проявления спайности. Например, шпатами называют минералы с хорошей спайностью в нескольких направлениях; ортоклаз спайность под углом 90° и т.д. В зависимости от степени совершенства выделяют несколько видов спайности: 12 1. Весьма совершенная. Минерал легко расщепляется на отдельные тонкие пластины или листочки, получить излом в другом направлении очень трудно (слюды, хлорида, тальк). 2. Совершенная. Минерал легко раскалывается по плоскостям спайности, причем отбитые кусочки напоминают отдельные кристаллы (кальцит, галенит, галит, флюорит). 3. Средняя. При раскалывании образуются как плоскости спайности, так и неровные изломы по случайным направлениям (полевые шпаты, роговая обманка). 4. Несовершенная. Минералы раскалываются по произвольным направлениям с образованием неровных поверхностей излома, отдельные плоскости спайности обнаруживаются с трудом (апатит, кварц, нефелин, касситерит, самородная сера). Плотность – зависит от атомной массы или ионов, слагающих кристаллическую решетку минералов. Существенную роль играют размеры ионных радиусов, возрастание которых обычно компенсирует увеличение атомной массы. Плотность минералов изменяется в пределах от 0,9 до 23. При этом к легким относятся минералы, обладающие плотностью до 2,5 (сера, гипс, галит, опал). Средней плотностью (от 2,5 до 4) например кварц, полевые шпат, слюды, кальцит. Тяжелыми считаются минералы с плотностью более 4. Чаще всего это - рудные минералы (пирит, галенит, сфалерит, халькопирит к др.). Из нерудных минералов высокой плотностью обладает барит. Магнитность. Магнитными свойствами обладают немногие минералы (магнетит, пирротин) Реакция с разбавленной соляной кислотой используется для диагностики минералов класса карбонатов. Эти минералы имеют стеклянный, реже матовый блеск, среднюю твердость, совершенную спайность и сравнительно светлую окраску. Интенсивность протекания реакции не одинакова для различных карбонатов. Растворимость в воде (вкус) характерна для природных хлоридов. По нему соленый галит легко отличается от горько-соленого сильвина. Из других свойств минералов для их диагностики имеют значение радиоактивность, люминесценция (свечение под действием облучения ультрафиолетовыми лучами), ковкость, хрупкость и др 3. Геологическая деятельность вод поверхностного стока. 13 Геологическая работа вод поверхностного стока. Осадки, стекающие по поверхности суши в виде дождевых и снеговых вод, составляют поверхностный сток. Суммарное количество воды, ежедневно стекающей с континентов в Мировой океан достигает 37 тыс.км3 . Поверхностный сток в зависимости от характера отекания вод делят на площадной и русловой, или линейный. В первом случае основным источником питания являются атмосферные осадки и сезонное таяние снега. Эти воды на ровных пологих склонах растекаются в виде многочисленных струек. Живая сила таких струек везде одинакова. Наиболее благоприятные условия для такого стока создается в пределах равнинных степей районов умеренного и субтропического поясов, в горных районах, на берегах оврагов и речных долин. Процесс плоскостного смыва, совершаемый на склонах дождевыми и талыми водами, называется делювиальным (лат, «делюо» - смываю). В другом случае поверхностные воды в виде линейно вытянутых струй и потоков собираются в определенные русла: рытвины, ложбины, овраги и речные долины. По времени и результатам своего действия русловые потоки делятся на временные и постоянные, или периодически действующие. Среди временных потоков выделяются потоки равнинных территорий, благодаря которым формируются овраги, и горные потоки. Они образуются за счет атмосферных осадок, таяния снегов, а иногда питаются подземными водами. Постоянными водотоками поверхностного стока являются реки. Поверхностное питание рек делится на дождевое, снеговое, ледниковое и смешанное. Дождевое питание характерно для рек умеренного и влажного тропического климата и отличается значительными колебаниями в зависимости от характера распределения атмосферных осадков в течение года. Снеговое питание наиболее выражено в районах с устойчивым снеговым покровом, что характерно для северных и средних широт. Для большинства равнинных рек европейской части России сток за счет снегового питания составляет свыше 50 % от суммы годового. Ледниковое питание обусловлено таянием ледников в высокогорных районах в летнее время. В зависимости от характера питания меняется и режим рек, количество воды, уровень и скорость течения. Для каждой реки в течение года характерно чередование периодов высокого (паводок или половодье) и низкого (межень) уровня воды, вызванное изменением количества воды в реке. В период половодья скорость потока возрастает в 3-4 раза. Скорость потока зависит от поперечного сечения реки. 14 Максимальная скорость наблюдается в наиболее глубокой части потока, и называемой стрежнем. В зависимости от характера рельефа реки разделяются на равнинные и горные. Равнинные реки текут в неглубоких и широких долинах, заполненных рыхлыми отложениями. Для них характерны малые русловые уклоны и спокойное течение. горные реки протекают в глубоких, узких долинах, часто с каменным ложем. Для них характерны большой уклон русла, быстрые течения, частые пороги и водопады. Независимо от типа реки в ней принято выделять три части: верхнее течение, или верховодье, примыкающее к истоку, среднее и нижнее течение, или низовье, заканчивающееся устьем - местом впадения реки в какой-либо водоем. Любая река характеризуется протяженностью, площадью бассейна, или водосбора, и расходом воды. Самой протяженной рекой мира является Миссисипи с Миссури (7330 км) самой большой площадью бассейна обладает Амазонка (7000 км2 ), самый мощный расход воды у Амазонки (120000 м3 /с). Климатические факторы являются наиболее важными: нет осадков – нет стока. Различные виды осадков обуславливают различный характер стока. Продолжительные, небольшой интенсивности обложные дожди, а также кратковременные дожди способствуют лучшей инфильтрации атмосферных осадков, а, следовательно, и увеличению подземного стока. Сильные дожди и ливни вызывают значительный поверхностный сток. Этому же способствует таяние весной снегового покрова, что приводит к возникновению бурных паводков на реках. Геоморфологические факторы (рельеф, форма и размеры бассейна) определяют не только интенсивность общего стока, но и его вид. Сильно расчлененный горный рельеф способствует в количественном отношении увеличению не только поверхностного, но и подземного стока. Однако величина поверхностного стока в горных районах растет быстрее, чем подземного. Почвенно-геологические факторы регулируют характер стока, главным образом, через водопроницаемость пород зоны аэрации. Чем больше атмосферных осадков просачивается, образуя подземные воды, тем меньше поверхностный сток. Растительность задерживает поверхностный сток и способствует инфильтрации воды, замедляет таяние снега до 20-30 дней, что также способствует формированию подземного стока. Искусственные факторы, связанные с агротехническими мероприятиями, возведением гидротехнических сооружений, созданием искусственных водохранилищ и другой деятельностью человека, приводят к нарушению естественного режима подземных и поверхностных вод, а, следовательно, к изменению характера стока. 15 4. Виды воды в горных породах. 16 4.1. Физические понятия пористости – общая пористость, приведенная пористость. Горные породы по своему происхождению и вследствие вторичных процессов (выветривания, выщелачивания, тектонических движений и др.) не являются абсолютно монолитными, а содержат в себе свободные пространства различной величины и формы. Происхождение и морфология указанных пустот различны, поэтому выделяют трещинноватость и пористость горных пород. Пористость в горных породах обусловлена мелкими промежутками, существующими между отдельными минералами и частицами горной породы. Она свойственна всем горным породам – магматическим, метаморфическим и осадочным. Поры в магматических горных породах возникают вследствие затвердевания магмы, когда внутри отдельных кристаллов и между ними образуются пустоты, заполненные водяным паром или другими газами. Поры в метаморфических породах обязаны своим происхождением процессу перекристаллизации первичных осадочных горных пород в результате метаморфизма. Поры в осадочных породах, наиболее значительные по размеру, обусловлены происхождением этих пород на небольших глубинах и последующем их преобразованием в процессе диагенеза. Пористость горных пород зависит, таким образом, от условий образования горных пород, формы и размеров слагающих их частиц, их плотности и типа цемента. По форме поры бывают близки к ромбоидальным, тетраэдрическим, щелевидным, ячеистым и т. д. По размеру поры обычно подразделяются на макропоры (больше 1мм) и микропоры (меньше 1 мм). Величину пористости определяют как отношение объема пустот к объему всей породы в сухом состоянии и выражают в долях единицы или в процентах. n=Vn/Vобщ Общая пористость породы выражается также в виде коэффициента пористости или приведенной пористости, представляющей собой отношение объема пор в породе к объему, занимаемому только скелетом породы. /-1 Между общей пористостью и коэффициентом пористости существует следующая зависимость. nn n / 1( ) или 1 . 4.2. Виды воды в горных породах и минералах 17 Подземные воды в горных породах находятся в различных формах. Виды воды в породах изучались, преимущественно, почвоведами и грунтоведами (А.Ф. Лебедев, С.И. Долгов, А.М. Васильев, А.А. Роде, И.А. Тютюнов). Наиболее полно этот вопрос был разработан А.Ф. Лебедевым в результате многочисленных экспериментальных исследований. Он предложил классификацию видов воды в породах, которая затем подверглась дальнейшей разработке и в настоящее время выглядит следующим образом: 1. Вода, входящая в состав кристаллической решетки минералов или химически связанная вода образует химически единое целое с другими элементами решетки и по степени связи с ними делится: а) конституционная – входит в состав решетки минералов в виде отдельных ионов, ее удаление возможно только путем нагревания при высоких температурах и перестройке решетки; б) кристаллизационная – входит в кристаллическую решетку минералов в виде молекулы Н2О. Примером может служить гипс CаSO4 · 2H2O, удаление воды которого при повышении температуры ведет к перестройке его кристаллической решетки и образованию ангидрита; в) цеолитная – связана с минералами весьма непрочно, она выделяется при низких температурах, и количество ее зависит от температуры и влажности воздуха. При нагревании она удаляется постепенно, минералы при этом сохраняют свою кристаллическую структуру, меняя лишь оптические свойства. 2. Физически связанная вода обладает резко отличными свойствами от свободной воды, на чем и основано ее выделение. Связанная вода содержится в горных породах в виде гидратных оболочек, облекающих мельчайшие минеральные частицы, слагающие породы и подразделяется: а) прочно связанная или адсорбированная – присуща, главным образом, глинистым породам, состоящим из частиц коллоидных размеров. На их поверхности эта вода удерживается молекулярными и электрическими силами сцепления и может перемещаться только при переходе в парообразное состояние. Удалить прочносвязанную воду можно при нагревании до 100–120 град. С. б) рыхло- или слабосвязанная – образует пленку поверх прочносвязанной воды, когда влажность породы становится выше ее максимальной гигроскопичности. По мере удаления от поверхности частицы силы связи грунта с молекулами воды ослабевают. На некотором расстоянии (доли микрометра) эта связь утрачивается совсем, и вода переходит в свободное состояние. Основным признаком рыхлосвязанной воды является ее способность передвигаться от одной частицы к другой, независимо от влияния силы 18 тяжести, так как она удерживается в породе силами, превосходящими ускорение свободного падения в 70 000 раз. Передвижение пленочной воды происходит от мест, где толщина пленок большая к местам, где пленки тоньше. Такое передвижение частиц будет продолжаться до тех пор, пока толщина водной пленки на обоих зернах породы не станет одинаковой. Рыхлосвязанная и прочносвязанная вода объединяется иногда под единым названием молекулярная вода. Максимальное количество молекулярной воды, удерживаемой породой в конкретных условиях, называют максимальной молекулярной влагоемкостью породы. 3. Свободная вода в отличие от других видов обладает свойствами жидкой воды и способна передвигаться под действием силы тяжести. Ее количество в горной породе зависит от размера пор и трещин. В глинистых породах, где поры очень мелкие и обычно заполнены связанной водой, количество свободной воды невелико. Преобладает она, в основном, в крупнообломочных и трещиноватых породах. По И.С. Долгову свободная вода может находиться в четырех состояниях: а) капиллярно-разобщенном или капиллярно-неподвижном. Поведение этой воды определяется менисковыми силами; б) капиллярно-подвижном. Это состояние возникает из капиллярноразобщенного при увеличении воды и соприкосновении отдельных ее скоплений. Давление (капиллярное и менисковое) передается по всей массе воды; в) капиллярно-легкоподвижном. Возникает при капиллярном подъеме воды грунтового потока или при просачивании атмосферных вод. Капиллярное менисковое давление передается равномерно; г) просачивающемся. Действие капиллярных сил исчезает, вся просачивающаяся вода доходит до уровня грунтовых вод под действием силы тяжести, т. е. возникает собственно гравитационная вода. 4. Вода в твердом состоянии – лед образуется при отрицательных температурах и содержится в породах в виде кристаллов льда, ледяных прослоек и жил. В зоне многолетней мерзлоты, где лед особенно широко распространен, его кристаллы играют часто роль цемента, скрепляющего отдельные минеральные частицы, превращая рыхлую породу в монолитную. Вне развития многолетнемерзлых пород вода переходит в лед только в зимнее время и при этом лишь в слое зимнего промерзания. 5. Вода в состоянии пара занимает поры, свободные от жидкой воды. Она образуется из других видов воды при их испарении, а при изменении температуры или давления вновь может конденсироваться. Передвижение водяного пара в породах происходит под влиянием изменения давления и 19 температуры и направлено от слоя с более высокой температурой к слою с меньшей температурой. 4.3. Водные свойства горных пород Водные свойства горных пород это: влагоемкость, естественная влажность, водоотдача, недостаток насыщения и водопроницаемость. Влагоемкость – способность горных пород вмещать и удерживать определенное количество воды. По степени влагоемкости все породы можно подразделить на весьма влагоемкие (торф, ил, суглинок, глина), слабовлагоемкие (мергели, мел, рыхлые песчаники, лесс, мелкие пески) и невлагоемкие (массивные изверженные и осадочные породы, галечник, гравий, песок и т. д.). Для характеристики количества воды, содержащейся в горных породах используют несколько понятий: объемная влажность – отношение объема воды, содержащейся в породе к объему этой породы, и относительная влажность или коэффициент влажности – отношение объемной влажности к пористости. Количество воды, соответствующее полному насыщению породы, определяет ее полную влагоемкость. Различают также естественную влажность, которая характеризует горные породы в естественном их залегании и дефицит насыщения породы– разность между полной влагоемкостью и естественной влажностью породы. Водоотдача – способность водонасыщенных пород отдавать гравитационную воду путем ее свободного вытекания. Различают также удельную водоотдачу – количество гравитационной воды, которое можно получить из 1м. куб. породы. Водоотдача зависит от времени стекания воды, состава пород, пористости и давления. Водопроницаемость – способность горных пород пропускать через себя воду при наличии перепада давления. Водопроницаемость зависит не от пористости, а от размера пор. Например, песок характеризуется пористостью 30%, но обладает хорошей водопроницаемостью, а глина с пористостью 60% обладает незначительной проницаемостью. Коэффициент пористости: проницаемость образца породы длиною 1 см, площадью поперечного сечения 1 см2 , через которую при перепаде давления 1 Па протекает 1 см3 жидкости с вязкостью 1 МПа. Эта величина зависит от открытой пористости, удельной поверхности пор, размера пор. 20 5. Параметры депрессионной воронки. 5.1 Что понимают под воронкой депрессии и радиусом влияния грунтовых вод? При откачке воды из скважины вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня. Образуется воронка депрессии, имеющая в плане форму близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничена кривыми депрессии. Рис. 22 Воронка депрессии Радиус воронки депрессии называется радиусом влияния (R). Для определения R используются различные расчетные формулы и непосредственным измерением в скважинах. Формула Кусакина: ; Формула Троянского: ; Чему равен приток воды к совершенному и несовершенному колодцам? Если из колодца вода не откачивается, то её уровень находится в одном уровне с поверхностью грунтового потока. При откачке воды образуется депрессионная воронка, уровень воды в колодце понижается. Производительность колодца определяется величиной дебита. Под дебитом колодца понимают то количество воды, которое он может дать в единицу времени. Приток воды к совершенному колодцу определяется формулой: 21 Рис. 23. Водозаборные колодцы,1-совершенного вида; 2-несовершенного вида формула Дюпюи: ; или Паркера В несовершенный колодец вода поступает через его стенки и дно. Вода поступает из части водоносного слоя, которую называют активной зоной (Н0). Глубину активной зоны принимают 4/3 высоты столба воды в колодце до откачке (Р), т.е. Н0= 4/3Р. Эти положение позволяют использовать ту же формулу Дюпюи в интерпретации Паркера. Чему равен приток воды к совершенной и несовершенной траншеям (канавам)? Траншеи предназначены для понижения уровня грунтовых вод. Они входят в систему дренажных устройств. Расход, совершенной канавы при притоке воды с двух сторон определяется по формуле: , при притоке с одной стороны: Где Q-расход воды, м 3 /сут; Kф= коэффициент фильтрации,м/сут; l-длина канавы, м; Н-мощность грунтовой воды, м; h-столб воды в канаве, м; R- радиус влияния, м; Несовершенная канава имеет расход воды меньше совершенной канавы . 5.2 Какие существуют методы борьбы с грунтовыми водами? Типы дренажей? Когда грунтовые воды осложняют строительство, и в дальнейшем будут мешать эксплуатации зданий и сооружений, принимают решение о понижении их уровня. Снижение уровня грунтовых вод и поддержание его в нужном положении достигается устройством дренажей. При благоприятном рельефе осуществляется самотёком воды. местности водопонижение При выборе способа водопонижения учитывают условия залегания и фильтрационную способность пород, источник питания грунтовых вод, характер их потоков, размеры осушаемой территории и продолжительность водопонижения. 22 Типы дренажей. Различают комбинированный дренаж. горизонтальный, вертикальный и Горизонтальный тип дренажа обеспечивает понижение уровня отводом воды с помощью канав (траншей) и подземных галерей. Отток воды происходит самотёком. Чаще всего подземные галереи применяют на оползневых склонах с целью осушения и предотвращения движения грунтовых масс. Подземная водосбросная галерея Открытый водоотлив из котлована 1-водосбросная галерея; 1-приямок с фильтром; 2-поток грунтовой воды; 2-насос с водоотводящим лотком 4-возможное оползневое тело; Горизонтальные канавы (траншеи) могут быть открытыми и закрытыми. Вертикальный тип дренажа обеспечивает понижение уровня грунтовых вод откачкой насосами или пропуском воды самотёком. Из неглубоких строительных котлованов воду можно откачивать открытым способом. 23 Вертикальный дренаж может осуществляться с помощью водопонизительных скважин и иглофильтровых установок. Вокруг скважин образуются депрессионные воронки, которые, объединяясь между собой, создают общее понижение уровня грунтовых вод. Схема осушения котлована вертикальными дренами 1-водопонизительные скважины; 2-строительный котлован; S- понижение уровня Иглофильтровые установки состоят из систем иглофильтров, которые устанавливают вокруг котлованов или вдоль траншей. Эти установки могут создавать в грунте вакуум, что улучшает приток воды к иглофильтрам и повышает устойчивость откосов котлованов. Работа иглофильтров усиливается воздействием на фильтрацию воды электрического тока. Иглофильтры с использованием воздействия на фильтрацию воды электрического тока 1-иглофильтры; 2-металлические проводники электрического тока; 3-котлован. Иглофильтры обеспечивают водопонижение на 4,5-5,5м. Недостатком всех вертикальных дренажей является непродолжительность срока службы трубчатых колодцев, вследствие загрязнения фильтров. Комбинированный тип дренажа объединяет вертикальные и горизонтальные дрены. 24 Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 1826 ; Мы поможем в написании вашей работы! 5.3 Понятие о депрессионной воронке и радиусе влияния При откачке воды из скважин вследствие трения воды о частицы грунта происходит воронкообразное понижение уровня воды. Образуется депрессионная воронка, в плане имеющая форму, близкую к кругу. В вертикальном разрезе воронка ограничивается депрессионными кривыми, крутизна которых увеличивается по мере приближения к оси скважины. Образование депрессионной воронки вызывает отклонение токов вод от естественного направления и изменение поверхности грунтового потока. Радиус депрессионной воронки называетсярадиусом влияния (R). Размер депресионной воронки, а значит и радиуса влияния, зависит от водопроницаемости пород. Так гравий и другие водопроницаемые породы характеризуются широкими воронками с большим радиусов влияния, а для суглинков характерны наоборот узкие воронки с маленьким радиусом. Также на величину и форму воронки оказывают влияние условия питания водоносного горизонта, его связь со смежными горизонтами и поверхностными водоемами и т.д. В практических расчетах для определения радиуса влияния или радиуса депрессии обычно используют приближенные формулы, иногда дающие только порядок его велечины. Формула Кусакина (для безнапорного пласта при установившейся фильтрации) имеет вид где S — понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м H — мощность пласта, м Кф — коэффициент фильтрации, м/сутки. Формула Зихардта для напорных пластов где S — понижение уровня воды при откачке по центру воронки, м Кф — коэффициент фильтрации, м/сутки. 25 5.4 Скважина водозаборная — разведочно-эксплуатационная скважина предназначенная для добычи воды из водоносного горизонта, глубина скважины зависит от глубины залегания водоносных горизонтов, в которых и находится артезианская вода. Чем глубже артезианская скважина, тем больше содержание солей в воде, то есть выше её минерализация (см. гидрогеологию) . Водозаборная скважина является подземным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения на водозаборных сооружениях (более известны как водозаборный узел сокр. ВЗУ). 5.5 Поглотительные (поглощающие, фильтрующие) колодцы сооружаются на осушаемой территории тогда, когда нет возможности вывести влагу в место понижения. Диаметр такого колодца, как правило, составляет полтора метра, глубина — не менее двух метров. Колодец засыпается гравием, щебнем, котельным шлаком, битым кирпичом или другим материалом, сверху застилается геотекстилем и укрывается грунтом. Наружные стены и основание колодца защищаются той же обсыпкой. Вода проникает в поглощающий колодец, фильтруется в нем и уходит в нижележащие слои почвы. Поглотительные колодцы успешно используются на участках с небольшим объемом сточных вод (не более 1 кубометра в сутки) и преобладанием песчаного и супесчаного грунта. В зависимости от времени производства строительных работ водопонижение делится на предварительное и параллельное. Предварительное водопонижение выполняется до начала строительных работ, параллельное — одновременно со строительством. Это деление, естественно, условное. Предварительное водопонижение в толще водоносных грунтов, вскрываемых котлованом или траншеей, следует применять лишь в тех случаях, когда в этих грунтах содержатся водоносные горизонты большей мощности. В этом случае целью предварительного осушения является снижение уровня подземных вод на величину, обеспечивающую безопасные условия строительства и гарантирующую невозможность прорыва и оплывания откосов. Предварительное снижение напоров напорных водоносных горизонтов, залегающих ниже защищаемой выработки и непосредственно не принимающих участие в ее обводнении, необходимо либо при наличии гидравлической связи их с залегающими выше дренируемыми горизонтами, либо при реальной опасности прорыва высоконапорных подземных вод в дно выработки. В этом случае целью предварительного водопонижения является обеспечение устойчивости дна выработки. Предварительное и параллельное водопонижение осуществляется с помощью различного рода водопонизительных устройств – вертикальных и 26 горизонтальных. Для защиты открытых выработок (котлованов, траншей и т.п.) используют как вертикальные, так и горизонтальные устройства — водопонизительных скважины, иглофильтровые установки, горизонтальные дренажные скважины.Для защиты подземных выработок (например, при строительстве линий метро, туннелей, шахт) используются в основном вертикальные дренажные устройства – водопонизительные, поглощающие, разгрузочные скважины, забивные и сквозные фильтры, дренажные колодцы и иглофильтровые установки.В зависимости от природных условий строительной площадки (геологического строения и гидрогеологических условий), сложности сооружения, метода возведения, могут применяться три способа водопонижения – поверхностный, подземный и комбинированный. При поверхностном способе водопонизительные устройства закладываются с поверхности земли, при подземном способе – из подземных выработок, а при комбинированном – с поверхности земли и из подземных выработок. Поверхностный способ водопонижения осуществляется с помощью водопонизительных скважин. Эти скважины целесообразны в условиях безнапорного водоносного горизонта мощностью не менее 10-5 м и при коэффициенте фильтрации не ниже 1-3 м/сутки. В напорных водоносных горизонтах коэффициент может быть меньше, но не ниже 0,5 м/сутки.Этот способ позволяет понижать уровни подземных вод на большие глубины в довольно сложной обстановке. Преимущество такой системы – мобильность. Недостаток – постоянное использование электроэнергии для питания насосного оборудования, необходимость отвода выкачанной воды. Кроме водопонизительных скважин к средствам глубокого дренажа следует отнести и эжекторные иглофильтровые установки. Глубина возможного снижения уровня подземных вод эжекторными установками достигает20м. Размеры эжекторных колонн и расстояние между игофильтрами, количество их в установке и тип насосного агрегата выбираются в зависимости от гидрогеологических параметров осушаемого массива и условий производства строительных работ. Однако, практика показывает, что оптимальный режим работы иглофильтровых установок наблюдается в песчаных грунтах с коэффициентом фильтрации не менее 1 и не более 30 м/сутки. Фильтры должны быть заглублены не менее чем на 0,6 м ниже минимального динамического уровня по контуру котлована или не менее 1,25 м при расположении их с одной стороны защищаемой выработки. При несоблюдении этих условий возможно попадание воздуха в фильтровое звено и нарушение нормальной работы установки. Основными требованиями работы водопонизительных устройств является: 1. Водопонизительные устройства должны обеспечивать требуемое понижение уровня подземных вод во всех точках дренируемого контура, для чего необходим учет геолого0гидрогеологических условий участка. 27 2. Сроки сооружения водопонизительных устройств должны быть строго увязаны с графиком строительства. 3. Проектируемая суммарная производительность водопонизительных устройств должна превышать водопритоки в период формирования депресии и соответствовать установившемуся притоку подземных вод после снижения уровня на требуемую величину. 4. Расстояние между защищаемым контуром и водопонизительными устройствами должно быть минимальным, но достаточным для предотвращения фильтрационных деформаций грунтов и оплывания откосов котлованов и траншей. Схемы расположения горизонтальных и вертикальных дренажных устройств, принятые в практике строительного водопонижения, могут быть объединены в следующие группы: произвольное, линейное, контурное, площадное. Произвольное расположение дренажных устройств применяется при неравномерных фильтрационных свойствах водоносного горизонта. В этом случае необходимо тщательно увязывать размещение средств водопонижения с гидрогеологическими и инженерно-геологическими условиями участка. Линейные схемы дренажных устройств используются при защите от обводнения вытянутых в плане выемок, например траншей, тоннелей. 28 6. Сдвиговые характеристики песчано-глинистых пород. Изучение сопротивления грунтов сдвигающим усилиям, возникающим в результате воздействия различных инженерных сооружений, имеет большое значение для правильного расчета устойчивости оснований (несущей способности оснований), оценки устойчивости откосов, расчета давления грунтов на подпорные стенки и других инженерных расчетов. В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления глинистых пород сдвигу. Одни исследователи считают, что сопротивление глинистых пород сдвигу обусловлено только сцеплением между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление глинистых пород сдвигу зависит как от сил трения, так и от сил сцепления. Показателями сил трения, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения. Вследствие неясности природы сопротивления глинистых пород сдвигу и условности разделения его на внутреннее трение и сцепление, некоторые исследователи предлагают вообще отказаться от такого разделения и характеризовать сопротивление глинистых пород сдвигу так называемым углом сдвига φ соответственно тангенс этого угла называют коэффициентом сдвига tgφ. Сопротивление сдвигу одного и того же грунта непостоянно и зависит от физического состояния грунта - степени нарушенности естественной структуры, плотности, влажности, а также от условий производства испытаний (конструкция прибора, размеры образца, скорость сдвига и т. д.). Для получения наиболее достоверных данных испытания на сдвиг должны всегда проводиться в условиях, максимально приближающихся к условиям работы грунта под сооружением или в самом сооружении. Показатели сопротивления грунта сдвигу определяются различными способами, среди которых можно выделить три группы: • способы определения сопротивления сдвигу по одной или двум заранее фиксированным плоскостям в сдвиговых приборах; • способы определения сопротивления сдвигу путем раздавливания при одноосном и трехосном сжатии; • способ определения сопротивления сдвигу по углу естественного откоса. Способы первой группы могут быть в свою очередь разделены на две подгруппы: а) способы поперечного сдвига с конечной плоскостью сдвига; 29 б) способы кольцевого сдвига с бесконечной (замкнутой) плоскостью сдвига. Лабораторные испытания грунтов для определения показателей трения и сцепления способом поперечного сдвига производят путем среза нескольких образцов исследуемого грунта. При этом в зависимости от характера предварительной подготовки образцов к опыту различают: а) сдвиг нормально уплотненных образцов (завершенное уплотнение), когда образцы перед опытом предварительно уплотняются под разными нагрузками до окончания процесса консолидации; срез каждого образца производится при той же вертикальной нагрузке, под которой он предварительно уплотнялся; б) сдвиг переуплотненных образцов, когда образцы предварительно уплотняются до окончания процесса консолидации, а сдвигаются без нагрузки или при меньших нагрузках; в) сдвиг недоуплотненных образцов (незавершенное уплотнение), когда образцы предварительно не уплотняются или уплотняются в продолжение короткого времени, за которое не наступает полная консолидация; срез производится при различных вертикальных нагрузках. В зависимости от скорости приложения сдвигающего усилия в процессе опыта различают медленный сдвиг и быстрый сдвиг. При медленном сдвиге сдвигающую силу увеличивают только после прекращения деформации, вызванной предыдущей ступенью этой силы. При быстром сдвиге увеличение сдвигающей силы производят быстро, не дожидаясь прекращения деформаций Прочностные характеристики грунтов. Показатели физических свойств грунтов определяются либо на отобранных в натуре в массиве образцах грунтов, либо непосредственно путем испытания грунтов, находящихся в грунтовом массиве, то есть в полевых условиях. При испытаниях следует выполнять требования соответствующих ГОСТов, если они имеются, или ведомственных нормативных документов. Для испытаний используются стационарные либо полевые лаборатории. Предпочтительными являются прямые методы испытаний, но в ряде случаев используются результаты косвенных методов исследования. Минимально достаточным для последующего осреднения результатов в математической статистике принято считать 6 определений. Однако, чем большее количество результатов определений введено в формулу для статистического нахождения среднего значения, тем "точнее" оказывается результат. В обработку вводятся результаты одной статистической совокупности, характеризующей данный массив. Если прослеживается закономерность в изменении частных интересующих нас значений показателя от точки к точки в одном направлении, то тогда их нельзя обычным путем вводить в одну статистическую совокупность. 30 Показатели (характеристики) физических свойств грунтов определяются как нормативные. Нормативными считаются средние значения показателей или характеристик, определяемые как среднеарифметические. Виды испытаний прочностных характеристик грунтов: Испытания на сдвиговом приборе – при прямом плоскостном срезе цилиндрического образца грунта выполняется в лабораторных условиях. Испытания в приборе трехосного сжатия (стабилометре). Методика проведения испытаний с наибольшей полнотой отражает работу грунта в основании. При загружении грунта в приборе создается трехосное напряженное состояние с измерением каждого компонента напряжения. Конструкция прибора позволяет определить: нейтральное или поровое давление по манометру, продольную и поперечную деформацию образца, изменение объема образца по валюмометру. Помимо прочностных характеристик на этом приборе можно определить деформационные характеристики (коэффициент Пуассона, модуль деформации). Испытания при одноосном сжатии. Проводятся для тугопластичных и твердых глин, которые хорошо сохраняют форму после обработки образцов. Образцы изготавливают в форме цилиндра с соотношением размеров h=(1,5 – 2,0) d. Разрушение образцов будет происходить как у хрупких материалов по плоскости, где касательные напряжения достигают предельного сопротивления сдвигу. Угол наклона этой плоскости стремится к 45 градусов. Лопастные испытания – проводятся в полевых условиях для грунтов, из которых трудно отбирать образцы без нарушения природного строения (торф, илы, глинистые водонасыщенные грунты). Для испытания откапывается небольшой шурф, в грунт вдавливается крестовина прибора и фиксируется крутящий момент, при котором происходит срез грунта лопастью по цилиндрической поверхности. Результаты испытаний используются для расчета ула внутреннего трения и сцепления. Метод шарикового штампа. Применяется для определения сцепления для связных грунтов (глинистых) и вязких (льдистых, вечномерзлых). Испытания состоят во вдавливании в исследуемый грунт сферического штампа постоянной нагрузкой Р и измерении во времени осадки S. Расчетное сопротивление вычисляется по формуле: , где В – диаметр штампа. Испытания на сдвиг в шурфах. Применяются в основном для крупнообломочных грунтов, из которых невозможно отобрать для лабораторных испытаний. Эти испытания аналогичны испытаниям в сдвиговом приборе. - Деформационные характеристики грунтов с жесткими связями (модуль Юнга, коэффициент Пуассона). 31 - Понятия сцепления и внутреннего трения. Коэффициент фильтрационной консолидации Деформации грунта являются результатом процессов, протекающих под влиянием напряженного состояния, созданного в грунте внешней нагрузкой. Внешние нагрузки, приложенные к грунту, вызывают взаимное перемещение твердых минеральных частиц, их структурных агрегатов. При последовательном увеличении нагрузки на грунт наблюдается три стадии его напряженного состояния: 1) стадия уплотнения; 2) стадия сдвигов; 3) стадия разрушений или стадия выпирания. В первой стадии наблюдается уплотнение грунта, и скорость деформации с течением времени уменьшается, приближаясь к нулю. В этой стадии зависимость между напряжениями и деформациями с достаточной точностью может быть принята линейной. Пластические деформации вызывают в грунте изменение свойств, размеров и форм частиц. Грунтовое тело становится неспособным возвращаться в первоначальное состояние, появляются так называемые остаточные деформации, зависимость между напряжениями и деформациями теряет свой линейный характер. Третья стадия характеризуется интенсивным возрастанием скорости деформаций и выпиранием грунта в стороны от периметра фундамента. Деформации возникают внезапно и катастрофически растут. Осадки этой фазы являются значительными. В конечном итоге в грунтах могут иметь место следующие виды деформаций: 1) упругие, возникающие в результате перемещений узлов кристаллической решетки минералов; 2) остаточные, которые обусловлены: а) адсорбционными явлениями (изменение толщины водных пленок в контактах между структурными элементами); б) изменением взаимного расположения структурных элементов; в) пластическими деформациями необратимые перемещения элементов кристаллической решетки минералов); г) псевдопластическими деформациями, происходящими в текучих и глинистых грунтах без изменения их объема. 32 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. «Физика и астрономия», учебник для 7 класса под редакцией А. А. Пинского, В. Г. Разумовского, Москва, «Просвещение»,1999 г. 2. «Физика и астрономия», учебник для 8 класса под редакцией А. А. Пинского, В. Г. Разумовского, Москва, «Просвещение»,1999 г. 3.Леонова А.В. О 75 Основы гидрогеологии и инженерной геологии: учебное пособие / сост.: А.В. Леонова; Томский политехнический университет. – 2-е изд. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 149 с. 4.Зекцер, И.С. Подземные воды как компонент окружающей среды / И.С. Зекцер. ‒ М. : Научный мир, 2001. ‒ 328 с 5.Марикова, Н.А. Гидрогеология Европы / Н.А. Марикова ; под ред. Н.И. Толстихиной. ‒ М. : Недра, 1989. ‒ 241 с. 6.Михайлов, Л.Е. Гидрогеология / Л.Е. Михайлов. ‒ М. : Гидрометиздат, 1985. ‒ 264 с. 7.Морозов, П.М. Безнапорные подземные воды / П.М. Морозов ; под ред. Б.Д. Русанова. ‒ Л. : Изд. ЛГМИ, 1975. ‒ 40 с. 8. Шварц, А.А. Экологическая гидрогеология / А.А. Шварц. ‒ СПб. : Изд. СПбГУ, 1996. ‒ 34 с 9.Ананьев В.П. Инженерная геология: учебник для вузов / В.П. Ананьев, А.Д. Потапов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2000. – 511 с 10.Бондарик Г.К. Инженерная геодинамика: учебник / Г.К. Бондарик, В.В. Пендин, Л.А. Ярг. – М.: Книжный дом «Университет», 2007. – 440 с. 11.Иванов И.П. Инженерная геодинамика: учебник / И.П. Иванов, Ю.Б.Тржцинский. – СПб.: Наука, 2001. – 416 с. 12.Передельский Л.В., Приходченко О.Е. Инженерная геология: Учебник для студентов строительных специальностей вузов. – Ростов н/Д: Феникс, 2006. – 448 с.