Контрольная работа по дисциплине инженерная геология

 

Чисто физические (механические) явления  приводят к дезинтеграции горных пород: к механическому их измельчению без изменения минералогического и, следовательно, химического состава. Механическая дезинтеграция пород происходит в результате неодинакового объёма и линейного расширения породообразующих минералов под влиянием сезонного и суточного колебания температуры. Порода рассекается густой сетью тонких и тончайших трещин. В эти трещины поступает вода, вследствие чего в них возникает капиллярное давление. Его величина достигает значительной величины. Например, в трещины шириной 0,001мм капиллярное давление составляет около 1,5кг/см (при обычной температуре), а в трещинах толщиной в тысячу раз более тонких(1*10мм)- около 1500кг/см. При расширении трещин начинают действовать явления замерзания - размерзания воды с изменением объёма. В итоге массивная кристаллическая порода, сохраняя свой исходный состав, теряет монолитность и начинает разрушаться. В первую очередь проявляются скрытые напряжение, возникшие при образовании разрушающейся породы, и проявляются отдельности - участки породы, ограниченные трещинами и обладающие определённой формой. Особенно эффективно проявляются округлые концентрически-скорлуповатые отдельности, образующиеся при выветривании некоторых эффузивных и гипабиссальных пород. Механическая дезинтеграция плотных горных пород приводит к образованию обширных развалов, глыб и россыпей щебня.

 

Химическое выветривание -- это  совокупность различных химических процессов, в результате которых  происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественного изменения  их химического состава с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода - энергичный растворитель горных пород и минералов. Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород -- гидролиз, приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссооциированных молекул воды:

 

K(AlSi3O8) + H2O>HAlSi3O8 + KOH

 

 Образующееся основание (KOH) создает в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решетки ортоклаза. При наличии CO2 KOH переходит в форму карбоната:

 

2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O

 

Взаимодействие воды с минералами горных порода приводит так же и  к гидратации -- присоединению частиц воды к частицам минералов. Например:

 

2Fe2O3 + 3H2O = 2Fe2O·3H2O

 

В зоне химического выветривания также  широко распространена реакция окисления, которой подвергаются многие минералы, содержащие способные к окислению  минералы. Ярким примером окислительных реакций при химическом выветривании является взаимодействие молекулярного кислорода с сульфидами в водной среде. Так, при окислении нитрита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов:

 

2FeS2 + 7O2 + H2O = 2FeSO4 + H2SO4;

 

12FeSO4 + 6H2O + 3O2 = 4Fe2(SO4)3 + 4Fe(OH)3;

 

2Fe2(SO4)3 + 9H2O = 2Fe2O3·3H2O + 6H2SO4

 

Биологическое выветривание -- перераспределение  химических элементов по типу биогенной  аккумуляции. В результате физико-химического взаимодействия элементы питания переходят в раствор и становятся доступными для растений. Схема большого геологического круговорота: осадки -- растворение -- вынос в море -- выход на поверхность осадочных отложений. Отсутствие биологического выветривания не допускает существования живых организмов. Химическое и физическое выветривание готовит почву для биологического выветривания. С момента действия биологического выветривания начинается малый биологический круговорот веществ: поступление из горной породы и атмосферы питательных элементов в живые организмы, малый биокруговорот синтезирует органику, возвращение химических элементов в почву с ежегодным опадом органического вещества. Биокруговорот связан с минерализацией мёртвого органического вещества в почве, в результате происходит накопление гумуса и минеральных макро- и микроэлементов, которые служат для формирования живых организмов. Биокруговорот веществ связан с развитием специфического почвообразовательного процесса, который носит название дёрнового процесса. Растительность, как лесная, так и травянистая, ежегодно частично или полностью отмирает к концу вегетации. Мёртвая органика частично или полностью минерализуется, высвобождая гумус и минеральные элементы. Они служат питанием для других растений, которые, закончив свой цикл, тоже станут кормом. За счёт дёрнового процесса существует жизнь на Земле.

 

Все перечисленные процессы действуют  на исходные породы вместе и одновременно, так что действие одного из них  невозможно отделить от действия остальных. Поэтому неправильно расчленять сложный, но единый процесс выветривания на химическое, физическое выветривание и т.п. Можно лишь говорить о химических, физических и других частных процессах, происходящих при выветривании, и о преобладании одних из них в конкретных условиях тех или иных участков земной поверхности.

 

Источник - «http://science.viniti.ru/» Г.Д.Добровольский  «Структурно функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере». М.: Наука. 2003.

 

Инженерно-геологическая характеристика грунтов.

 

Элювиальные крупнообломочные грунты формируются под влиянием факторов физического выветривания и образуют скопление крупных обломков горных пород на месте их разрушения. Он обычно состоит из угловатых остроугольных  глыб, форма и размер которых в основном зависят от структурно - текстурных особенностей выветривающихся пород. Плотные мелкозернистые и скрытокристаллические породы дают неправильные угловатые осколки, их размер и форма зависят главным образом, от пространственного расположения тончайших трещинок, пронизывающих массив выветривающихся пород. Крупнозернистые породы чаще всего рассыпаются в дресву, доя них характерна минеральная дезинтеграция. Метаморфические сланцеватые породы (различные сланцы, мелкозернистые гнейсы) распадаются на тонкие пластинки.

 

По петрографическому составу  обломочный элювий мало отличается от материнской породы, на которой залегает. Однако по своим свойствам он качественно  иной.

 

В том случае, когда выветриванию подвержены породы, залегающие на крутых склонах, в разрушении их играет огромную роль такой мощный фактор, как сила гравитации. Под ее влиянием обломки горных пород скатываются вниз, падают и от ударов, получаемых ими при скатывании и падении, еще больше размельчаются. Скопление таких масс представляют собой своеобразные гравитационные образования крупнообломочных грунтов. Одним из видов гравитационных отложений является осыпь, представляющая собой скопления скатившихся, совершенно не обработанных различных по размеру обломков у подножия склонов. В отличие от чисто элювиальных крупнообломочных грунтов для осыпи характерно наличие слабой сортировки продуктов выветривания по их крупности: более крупные камни и щебень скатываются к подножию склона - к основанию осыпи. Крутизна осыпи отвечает углу естественного откоса слагающего ее крупнообломочного материала. Этот материал, как правило, имеет рыхлое сложение в верхних частях разреза осыпи, в нем отсутствует какой-либо заполнитель, водопроницаемость осыпи чрезвычайно высока.

 

Образование не отсортированных щебенистых и каменистых (глыбовых) осыпей на склонах и у подножия гор может происходить также путем обвалов, когда скапливается большая масса беспорядочно нагроможденного материала различного размера. Мощность таких отложений зависит от высоты гор, крутизны склонов, частоты и силы обвалов и других причин.

 

Элювиальные пески являются характерным  продуктом выветривания и формируются  на месте разрушении горных пород. Они  характеризуются неоднородностью  в гранулометрическом составе, необработанной угловатой формой зерен, рыхлым сложением и сильно выветрелой неровной, «кавернозной» поверхностью частиц, нередко покрытой железистой пленкой. Неоднородность гранулометрического состава элювиальных песков свойственна, по существу, всей их толще, за исключением самой верхней ее части, из которой выдуваются ветром пылеватые и глинистые частицы. Эта неоднородность связана, прежде всего, с отсутствием сортировки материала. Вниз по разрезу неоднородность возрастает, с одной стороны, за счет увеличения количества крупнозернистого материала, а с другой стороны - за счет кольматации мелкими частицами из верхних слоев при просачивании влаги. Степень неоднородности зависит также и от состава исходных материнских пород, интенсивности и продолжительности выветривания. Например, разрушение песчаников приводит к образованию толщ сравнительно однородных песков с достаточно обработанными зернами. Сложение элювиальных песков обычно рыхлое, причем наиболее рыхлые песчаные частицы расположены в верхней части песчаной толщи. В нижних ее частях расположение песчинок становится более плотным, однако и здесь оно достаточно неоднородное. Вследствие этого элювиальные пески обладают достаточно высокой уплотняемостью. В силу ограниченности и специфики своего распространения элювиальные пески в инженерно-геологическом отношении изучаются конкретно в районе строительства проектируемого сооружения.

 

Элювиальные лессы могут быть продуктом  выветривания в условиях сухого климата. По условиям залегания лессы занимают покровное положение: отсутствует  слоистость; изменяется окраска от светло-палевой до шоколадной вниз по разрезу; присутствуют погребенные почвы и гумусированные прослои; прослои песка и гравийно-галечные образования. По гранулометрическому составу лессовые породы характеризуются значительным разнообразием. Они включают различные разности по крупности, начиная от пылеватых песков до лессовидных глин. Но для всех гранулометрических разностей отмечено наличие практически всегда пылеватых частиц, содержание которых превышает 50 % по отношению к другим фракциям. Наиболее однородными являются собственно лессы (в них содержится не более 15--16% глинистых частиц и практически отсутствуют частицы размером более 0,25мм).

 

Лессовые породы - это полиминеральные  образования. В состав крупных фракций  входит до 50 наименований минералов. Наряду с минеральными частицами в лессах присутствует гумус. Прочность лессовых пород во многом обусловлена количественным содержанием карбонатов, так как высокодисперсные карбонаты способны к созданию достаточно прочных слаборастворимых кристаллизационных связей между отдельными частицами породы. Кроме того, наличие ионов кальция способствует агрегации глинистой и коллоидной фракций.

 

В природных  условиях лессовые породы отличаются тем, что частицы в них находятся  в агрегированном состоянии. Высокая истинная дисперсность, выраженная в преимущественном преобладании пылеватых частиц, сильная агрегированность глинистых и коллоидных частиц, наличие кальцита в значительных количествах создают благоприятные условия для развития в лессовых породах просадочных явлений.

 

Элювиальные глинистые грунты образуются в результате разложения различных пород и  накопления на месте разрушения -- в  коре выветривания -- глинистых продуктов  указанного разложения (разрушения). По гранулометрическому составу среди  этих отложений встречаются разновидности от высокодисперсных глин до неравномерно зернистых супесей, содержащих различное количество грубообломочных включений.

 

Для толщ элювиальных  глинистых фунтов в вертикальном разрезе характерен постепенный  переход к материнским породам. Формы залегания весьма разнообразны и своеобразны: гнездовые, карманообразные, плащеобразные и др.

 

Протяженность указанных форм очень изменчива, иногда носит прерывистый характер. Мощность колеблется от нескольких сантиметров  до нескольких десятков метров. Толщи элювиальных глинистых грунтов обычно лишены слоистости, которая может наблюдаться только, как реликт слоистой текстуры материнской породы. Окраска глин весьма разнообразна: от белой, желтоватой, зеленоватой до красной и пестрой. Растительные остатки и органическое вещество практически не встречаются. Минералогический состав элювиальных глин различен, он определяется главным образом тем составом, которым обладали исходные материнские породы, а также характером и степенью развития процессов их выветривания. В результате в зависимости от длительности выветривания формируются различной, иногда значительной, мощности глинистые толщи соответствующего состава -- каолинитовые, галлуазит-каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые или смешанного состава. Именно среди глин этого генетического типа достаточно часто встречаются обычно редкие мономинеральные разности. Элювиальные глины характеризуются различными инженерно-геологическими свойствами. Еще большим разнообразием отличаются такие петрографические разности элювиальных глинистых отложений как суглинки и супеси в силу чрезвычайной изменчивости, а также количества и вида глинистых минералов в их составе. Особенно ярко это проявляется в таком их свойстве как пластичность. Покажем это на примере «чистых» элювиальных глин: наиболее пластичные их разности формируются при разложении осадочных глинистых и основных изверженных, чаще эффузивных, пород. При разложении кислых пород обычно образуются слабопластичные глины, главным образом, каолинитового состава. Пластичность других петрографических разностей элювиальных глинистых пород обусловлена также наличием и количеством песчаной, пылеватой и грубообломочной фракций. Прочность элювиальных глинистых пород во много раз меньше, чем в исходных материнских породах.

 

Элювиальные образования - почвы. В современном  почвоведении под почвой понимается поверхностный слой земной коры, несущий  растительность суши и обладающий плодородием. Почвы развиваются иногда в верхней  части коры выветривания, но чаще в областях умеренного влажного климата почвенный покров отождествляется с маломощной корой выветривания. Почвы характеризуются тремя отличительными признаками:

 

Ч следы  корневой деятельности

 

Ч зональность (почвенные горизонты)

 

Ч почвенные  текстуры (макро- и микро-)

 

Следы корневой деятельности объединяют собственно корневые остатки и прикорневые образования (ризоконкреции). Однако сохранность  корневых структур во многих типах  почв невысокая. Более того можно  отметить, что большинство палеопочв  не содержит очевидных корневых остатков. Элювиальный горизонт (до 50см) светло-серый белесый сложен тонкодисперсным кремнеземом, многие компоненты из которого вынесены.

 

Литература: Ананьев В.П., Потапов А.Л. Инженерная геология. - М.: Высшая школа, 2000, стр.180-181; 186-187; 201-202.

 

Оценка возможности использования  элювиальных грунтов в качестве оснований промышленных и гражданских  сооружений.

 

Крупнообломочные грунты являются хорошим основанием для зданий и сооружений, при плотном сложении под нагрузкой не уплотняются, но при большом содержании глинистого материала появляется тенденция к сжимаемости. При сильных землетрясениях водонасыщенные крупнообломочные грунты могут разжижаться и терять устойчивость, что сказывается на устойчивости объектов.

 

Пески являются надежным основанием, служат хорошим материалом для изготовления различных строительных изделий, цементных  растворов и т. д. Однако проходка строительных котлованов в песках сопряжена с известными трудностями. В рыхлых сухих песках приходится делать очень пологие откосы, что ведет к большим объемам земляных работ.

 

Лессы после увлажнения под давлением  собственного веса или веса сооружений часто уплотняется, происходят просадки грунта, что может вызывать аварии сооружений.

 

Глинистые грунты, особенно в условиях влажного состояния, под нагрузками способны сжиматься, т. е. уплотняться. Если структура грунта не была разрушена, то после снятия нагрузки объем грунта может несколько увеличиться. При соприкосновении с водой глинистые грунты проявляют способность увеличивать свой объем в результате увлажнения. Если грунты признаны набухающими, то при проектировании объектов необходимо предусматривать определенные мероприятия: в надземной части зданий (увеличивать жесткость и прочность зданий) и в грунтовом основании.

 

Почвы необходимы сельскому хозяйству  и поэтому их следует сохранять. Перед производством строительных работ слой почвы необходимо срезать, складировать и использовать по своему назначению в местах, где почвенный слой отсутствует.