Осадочные горные породы

Метаморфические горные породы

Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород. Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы; воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактовый метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма — высокие температуры и давление. Типичными метаморфическими горными породами являются гнейсы, разные по составу кристаллические сланцы, контактовые роговики, скарны, амфиболиты, мигматиты и др. Различие в происхождении и, как следствие этого, в минеральном составе горных пород резко сказывается на их химическом составе и физических свойствах.

Осадочные горные породы образуются на земной поверхности и вблизи неё в условиях относительно низких температур и давлений в результате преобразования морских и континентальных осадков. По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три основные генетические группы: обломочные породы (брекчии, конгломераты, пески, алевриты) — грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних; глинистые породы — дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды; хемогенные, биохемогенные и органогенные породы — продукты непосредственного осаждения из растворов (например, соли), при участии организмов (например, кремнистые породы), накопления органических веществ (например, угли) или продукты жизнедеятельности организмов (например, органогенные известняки). Промежуточное положение между осадочными и вулканическими породами занимает группа эффузивно-осадочных пород. Между основными группами осадочных пород наблюдаются взаимные переходы, возникающие в результате смешения материала разного генезиса. Характерной особенностью осадочных горных пород, связанной с условиями образования, является их слоистость и залегание в виде более или менее правильных геологических тел (пластов).

2.2 Подробная характеристика магматических (интрузивных) глубинных горных пород

Магма на глубине нескольких десятков километров от поверхности Земли находится под очень большим всесторонним гидростатическим давлением, достигающим нескольких тысяч атмосфер, и обладает высокой температурой. При внедрении в вышележащие слои Земли физическая обстановка изменяется. Здесь магму окружают твердые и относительно холодные породы, которым она отдает свое тепло и начинает застывать и кристаллизоваться. Однако отдача тепла магмой в окружающую среду происходит очень медленно, так как теплопроводность горных пород мала. Температура магмы падает постепенно в течение тысяч и даже миллионов лет. Примером может служить следующее наблюдение. В конце палеогенового периода (около 30 млн. лет назад) на Северном Кавказе в районе Пятигорска произошла интрузия магмы, однако и в настоящее время разогретые массы магмы существуют на сравнительно небольшой глубине, на что указывают выходящие здесь на поверхность земли горячие источники.
При медленном остывании магмы происходит постепенная и последовательная раздельная кристаллизация входящих в ее состав химических соединений, каждое из которых превращается в кристалл особого минерала. Благодаря медленности роста, кристаллы могут достигнуть относительно больших размеров, поэтому для многих интрузивных пород характерна крупно кристаллическая структура. В результате медленного остывания магмы происходит полная кристаллизация всего ее вещества, и в возникшей породе не остается нераскристаллизованных аморфных участков.

Образующиеся в ходе кристаллизации минералы выпадают из расплава в определенной последовательности — одни раньше, другие позже. Эта последовательность определяется в основном степенью тугоплавкости минералов, а также химическим составом магмы. Большую роль в процессе кристаллизации играют минерализаторы — летучие парообразные и газообразные вещества, способствующие и часто определяющие порядок и скорость кристаллизации минералов. Поясним это на примере магмы гранитного состава, в результате кристаллизации которой на глубине образуется порода — гранит. В состав гранита входят такие породообразующие минералы, как полевые шпаты, кварц, из темноцветных силикатов — биотит и реже роговая обманка. Температура плавления биотита и роговой обманки очень высокая, поэтому их кристаллы образуются еще в жидкой магме, когда росту и образованию правильных форм ничто не препятствует.

Во вторую фазу кристаллизации возникают кристаллы полевых шпатов, температура плавления которых ниже, чем у темных силикатов. В отличие от условий первой фазы при кристаллизации полевых шпатов в жидкой массе магмы уже существуют твердые кристаллы темноцветных силикатов. Вследствие этого кристаллы полевых шпатов могут как бы обрасти и включить в себя кристаллы биотита или роговой обманки. Подобные соотношения, обычно видимые под микроскопом в шлифе породы, указывают на возрастные взаимоотношения минералов. После кристаллизации темных и светлых силикатов порода окажется сформированной на 75—80% объема. Кремнезем, содержащийся в гранитной магме в избытке, начнет переходить в твердое кристаллическое состояние в последнюю очередь, превращаясь в кварц. Кристаллы последнего будут занимать свободное пространство между ранее образовавшимися кристаллами биотита, роговой обманки и полевого шпата и приобретать вид зерен неправильной формы, хотя внутреннее строение их кристаллической решетки вполне правильно и закономерно.

В итоге произойдет полная кристаллизация магмы, все ее вещество примет кристаллическое строение. Возникшая таким путем структура породы и получила, поэтому название полнокристаллической. Таким образом, полнокристаллическая структура характеризует глубинные, или абиссальные, условия застывания магмы.
Фактически процесс формирования структуры пород, возникающих в процессе остывания магмы на глубине, может быть гораздо сложнее. Даже в абиссальных условиях с течением времени может измениться, например, ускориться, темп падения температуры, что сейчас же скажется на изменении структуры формирующейся породы. В этом случае медленный и спокойный ход кристаллизации нарушается, и в породе образуются кристаллы одного и того же минерала разной величины — более крупные (первая фаза кристаллизации) и более мелкие (вторая фаза кристаллизации). Такие структуры получили название порфировидных, особенностью их является разнозернистость. Они характеризуют так называемые гипабиссальные, или полуглубинные, условия остывания магмы.
Если остывание магмы началось на глубине, а продолжалось после ее подъема близко к поверхности или на самой поверхности в условиях очень быстрого охлаждения, свойственного уже излившимся из вулканов лавам, то часть вещества может застыть не раскристаллизовавшись и возникнут аморфные участки породы. Образуется так называемая порфировая структура, более свойственная уже не интрузивным, а эффузивным породам.

На больших глубинах в условиях всестороннего давления ориентировка осей и плоскостей растущих кристаллов ничем не контролируется, и расположение их в породе случайно. Подобную текстуру породы называют массивной, неориентированной; она характерна в основном для глубинных пород.
В ходе развития магматической интрузии возможно течение вязкой массы магмы, хотя и в ограниченных пределах. При этом кристаллы с удлиненными формами, например столбики роговых обманок и листочки слюды, ориентируются длинными осями параллельно направлению потоков в магме, подобно бревнам в потоке реки. Образуется так называемая флюидальная текстура. Встречаясь в интрузивных породах, она, однако, более типична для пород эффузивных.

3 Антропогенные процессы

Антропогенные процессы — положительные и негативные процессы, возникающие в естественной окружающей среде под влиянием деятельности человека. Положительными антропогенными процессами являются те, которые направлены на сохранение экологического равновесия, рациональное использование природных ресурсов, оптимизацию природной среды и связанные с мерами по его охране. Однако многие из направлений хозяйственной деятельности человека сопровождаются негативными антропогенными процессами. Так, вследствие распашки и возделывания сельскохозяйственных земель наблюдается механическая деградация почв. Осушение территорий приводит к снижению уровня грунтовых вод, а сверхурочный полив при орошении приводит к вторичному засолению почв, заболачиванию. Все это вызывает ирригационную эрозию.В результате добычи полезных ископаемых развиваются карстообразования и просадки земной поверхности в местах производимых подземных угольных и соляных шахт. С гидротехническим строительством связан подпор подземных вод, затопление заводей, обвалки берегов рек и т.п.. Вследствие недостаточно обоснованного строительства городов могут усилиться эрозия, обвалки склонов, накопления промышленных и бытовых отходов.

4 Морские отложения

Морские отложения, донные осадки современных и древних морей Земли. Преобладают над континентальными отложениями, слагая более 75% общего объёма осадочной оболочки материковой земной коры. Формирование морских отложений началось с появлением первых морей в архее или в ещё более отдалённом геологическом прошлом, около 3,5-4 млрд. лет назад, и происходило в течение всей геологической истории. Ископаемые морские отложения превращены процессами диагенеза в осадочные горные породы. К морским отложениям относятся большинство известняков, доломитов, мергелей и кремнистых пород, значительная часть глин и аргиллитов, алевролитов, песчаников, конгломератов, а из полезных ископаемых — многие железные и марганцевые руды, большинство фосфоритов, горючие сланцы и др.. Многие метаморфические горные породы (гнейсы, сланцы, мраморы) первоначально накапливались как морские отложения.

Из поступающего на дно водоёма осадочного материала разного происхождения образуются основные типы морских отложений — терригенные, биогенные, хемогенные и вулканогенные, а также различные их сочетания.

В зависимости от глубины, удалённости берега, форм рельефа дна, течений, условий обитания осадкообразующих организмов и др. факторов в пределах отдельных морских бассейнов существуют одновременно разнообразные обстановки осадкообразования, в которых развиваются разные фации морские отложения. Так, в прибрежной наиболее мелководной зоне под воздействием волнения накапливаются терригенные пески, галечники, ракушечники, а в участках затишья и близ устьев рек — глины, алевриты. На подводных поднятиях и на открытых шельфах часты ракушечные и детритовые биогенные известковые осадки, пески; во впадинах эпиконтинентальных морей преобладают глины, алевриты, иногда богатые органическим веществом; встречаются мергелистые, известковые, кремнистые илы. Особый тип мелководных морских отложений представляют рифовые тела известняков или доломитов, часто залегающие среди глубоководных морских отложений. К мелководным морским отложениям относятся некоторые осадочные железные (оолитовые) и марганцевые руды, бокситы, фосфориты.

Глубоководные морские отложения, накапливающиеся главным образом в котловинах глубоких морей, преимущественно тонкозернистые (глины, алевриты, известковые и кремнистые илы), но встречаются и пески, отложенные придонными течениями. На склонах образуются подводно-оползневые отложения. В центральных частях обширных глубоких морей, куда поступает мало терригенного материала, морские отложения приобретают пелагический облик, приближаются к океаническим осадкам (пелагические диатомиты, известняки). На дне и у подножий склонов замкнутых котловин образуются морские отложения, обогащенные органическим веществом.

Ископаемые морские отложения распознаются по содержащимся в них остаткам или следам жизнедеятельности морских организмов, которые, однако, могут отсутствовать (особенно в глубоководных морских отложениях). Признаками морских отложений служат некоторые аутигенные минералы (глауконит), структурные и текстурные особенности пород.

Состав морских отложений закономерно связан с климатической зональностью Земли. Как показывает изучение современных морей, в основных климатических зонах морское осадкообразование протекает по-разному. В морях гумидных зон, в условиях интенсивного выноса реками продуктов выветривания пород суши, как в умеренном, так и в тропическом поясах господствуют терригенные отложения — пески, алевриты, глины. В холодноводных бассейнах умеренного пояса местами накапливаются диатомовые илы. В пределах аридной зоны, в условиях слабого терригенного выноса, более широко развито биогенное карбонатонакопление, образуются ракушечные, мшанковые, фораминиферовые, кокколитовые, птероподовые осадки, а в тёплых водах тропической зоны — кораллово-водорослевые рифовые комплексы; местами происходит хемогенное карбонатонакопление (оолитовые известковые осадки). В ледовой зоне большое значение приобретают ледово-морские отложения.

Строительные свойства пород морского происхождения определяются условиями их образования. Так, глубоководные отложения, в отличие от мелководных, имеют более выдержанный литологический состав, значительную мощность и однотипные свойства, однородность. Отложения шельфа (прибрежной мелководной зоны) сравнительно устойчивы вдоль напластования, но довольно быстро и резко меняются по вертикали. Породы, рожденные у береговой зоны, переменчивы во всех отношениях. Древние морские отложения (коренные породы) являются хорошим основанием под сооружения. Однако надо учитывать, что в этих отложениях могут присутствовать вредные примеси пирита и водорастворимых солей. Глубоководные глины нередко находятся в переувлажненном состоянии, в крутых откосах в них могут возникнуть оползневые явления. Надежными основаниями служат пески, галечники и другие обломочные породы. К слабым грунтам относятся мощные толщи современных прибрежных илов и лагунных образований.

Самым существенным явлением, возникающим в илистых грунтах под действием внешней нагрузки, является разрушение их структурных связей. Структурные связи в илах начинают разрушаться при относительно незначительных нагрузках, однако лишь при некоторой, вполне определенной для данного илистого грунта величине внешнего давления происходит лавинное (массовое) нарушение структурных связей, причем прочность илистого грунта резко снижается. Эта величина внешнего давления носит название «структурной прочности грунта». Если давление на илистый грунт меньше структурной прочности, то свойства его близки к свойствам твердого тела малой прочности, причем, как показывают соответствующие опыты, ни сжимаемость ила, ни его сопротивление сдвигу практически не зависят от природной влажности. При этом угол внутреннего трения илистого грунта мал, а сцепление имеет вполне определенную величину.

При нарушении структурных связей илы переходят в разжиженное состояние, легко выдавливаясь из-под сооружений, что вызывает неизбежные деформации сооружений и не может быть допущено в их основаниях.

Исходя из общих свойств илов, возникают следующие два способа рационального возведения на них сооружений: первый — замена сильно сжимаемых и разжиженных илов более устойчивыми и прочными грунтами, например песком, и второй — уплотнение и упрочнение илов небольшими порциями нагрузок.

Замена песками или галькой применяется при небольшой мощности слоя илов в случае возведения на них насыпей или дамб, когда отсыпаемое тело выдавливает илы в стороны, что продолжается до тех пор, пока насыпь не достигнет плотного грунта.

При втором способе применяют такие порции нагрузок, которые не могли бы разрушить структурные связи, причем последующую порцию дают лишь тогда, когда закончится осадка ила от предыдущей порции нагрузки. При нагрузке, меньшей структурной прочности, происходит дальнейшее упрочнение ила, так как осадка способствует сближению минеральных частиц и возникновению новых молекулярных связей. Для ускорения осадки илистых грунтов с успехом применяется вертикальный песчаный дренаж, рассчитываемый по формулам пространственной теории консолидации.

Наконец, отметим, что илистые грунты обладают свойством тиксотропии, т. е. свойством восстанавливать (в той или иной степени) разрушенную структуру, обусловленную водноколлоидными связями. Мельчайшие частицы глины (коллоидного размера) подвержены броуновскому движению, под влиянием которого и происходит столкновение отдельных минеральных частиц в воде, что и обусловливает восстановление, (в известной мере) прежней структуры.

5 Интегральная кривая гранулометрического состава

Вычисляем частные остатки a B i, полные остатки Aj, содержание частиц L B j, прошедших через сито по формулам, %:

,,.

Результаты вычислений сводим в таблицу:

Показатель, %	Размер отверстий сит, мм
				0,5	0,25	0,10	<0,10
Частный остаток		4,1	10,55	11,5	18,15	28,8	18,1	8,8
Полный остаток		4,1	14,65	26,15	44,3	73,1	91,2
Прошло через сито		95,9	85,35	73,85	55,7	26,9	8,8

Строим гранулометрическую кривую, откладывая по оси абсцисс диаметры частиц (d), по оси ординат – содержание прошедших через сито фракций грунта (L)

(рис.1).

Рис.1. Интегральная кривая просеивания

Определяем размеры частиц, соответствующие содержанию L при 60 % и при 10 %. На графике размер частиц при L = 60 % составляет 0,62 мм (dB60 = 0,62) и при L = 10 % – 0,12 мм (d10 = 0,12).

Вычисляем степень неоднородности зернового состава:

.

При c u < 3 грунт считается однородным, c u ≥ 3 – неоднородным.

Так как содержание частиц крупнее 0,1 мм составляет более 75 % (91,2 %), то исследуемый грунт является песком мелким неоднородным.

6 Определение вида песка

Данные для определения вида песка: естественная влажность W=0,19, плотность ρ= 2,05 г/, плотность частиц грунта ρB s = 2,63 г/.

Вычисляем коэффициент пористости (отношение объема пор к объему твердых частиц):

, где

Исследованный мелкий песок имеет плотное сложение, т.к. e < 0,60.

Вычисляем влажность, соответствующую полному водонасыщению:

Тогда степень влажности:

На основании полученных результатов заключаем, что песок считается насыщенным водой, так как степень влажности больше 0,8.

7 Тип и разновидность пылевато-глинистого грунта

Данные для решения задачи:

Масса, г, при определении влажности
Естественной W	На границе текучести Wl	На границе пластичности Wp
44,6	37,0	17,5	35,6	30,1	17,8	45,3	40,1	17,5

Вычисляем влажность по формуле:

Естественная влажность:

Аналогично, влажность на границе текучести и на границе пластичности.

Исследованный грунт является глиной, т.к. число пластичности:

Находим показатель текучести:

Глина мягкопластичная, т.к..

8 Наименование грунта и вид грунта, методы строительства на просадочных и набухающих грунтах

Данные для решения задачи:

Значения влажности	Высота образца грунта, мм
			до увлажнения	после увлажнения
0,19	0,36	0,17		27,2

Определяем число пластичности и показатель текучести:

;.

Наименование грунта – глина полутвердая.

Так как высота образца грунта после увлажнения увеличилась, находим относительную деформацию набухания:

По относительной деформации набухания без нагрузки грунт относится к средненабухающим.

8.1 Методы строительства на просадочных и набухающих грунтах

8.1.1 Методы строительства на просадочных грунтах

В первую очередь при проектировании оснований и фундаментов зданий на просадочных грунтах учитывают возможность их умачивания и возникновения просадочных деформаций.

Надежность и нормальная эксплуатация зданий достигается применением одного из следующих принципов: осуществление комплексамероприятий, включающего подготовку основания, (в водозащитные и конструктивные мероприятия входят: компановка генплана; планировка застраиваемых территорий; устройство под зданиями маловодопроницаемых экранов; качественная засыпка водонепроницаемых котлованов и траншей; устройство вокруг зданий водонепроницаемых отмосток; отвод аварийных вод за пределы зданий и в ливнесточную сеть).

Конструктивные мероприятия объединяют в группы по составу и способам осуществления традиционных, для строительства, в особых грунтовых условиях.
Для жестких зданий:

- эта разрезка зданий осадочными швами на отсеки;

- устройство железобетонных поясов и армированных швов;

- усиление фундаментно - подвальной части путем применения монолитных или сборно - монолитных фундаментов.

Для податливых и гибких зданий:

- мероприятия по дополнительному увеличению податливости (введение гибких связей; повышение площади операния);

- место, обеспечивающее нормальную эксплуатацию зданий при возможных, часто неравномерных просадок. Для этого применяют конструктивные решения, позволяющие в короткие сроки восстановить после неравномерных просадок нормальную эксплуатаию кранов, лифтов, оборудования, путем рихтовки подкрановых путей и направляющих лифтов, поднятия опор домкратом.

8.1.2 Методы строительства на набухающих грунтах

При небольших толщах набухающих грунтов применяют предварительное замачивание и строительство ведется как на водонасыщенных ненабухающих грунтах (материалом грунтовых подушек должны служить пылевато-глинистые набухающие грунты).

Компенсирующие подушки применяются для уменьшения неравномерности подъема фундаментов (материал: любые, кроме пылевых, пески).

Принцип работы компенсирующей подушки состоит в следующем. Так как ширина песчанной подушки превышает ширину фундамента, при набухании грунта происходит выпирание песка между фундаментом и стенкой траншеи. Поэтому при подъеме дна такой траншеи песок вокруг фундамента поднимается, а сам фундамент остается практически неподвижным.
Прорезка набухающих грунтов свайными фундаментами и глубокими опорами эффективна, если толща набухающих грунтов не превышает 12 м. Для избежания подъема, длина свай должна быть назначена таким образом, чтобы силы набухания, направленные вверх по боковой поверхности сваи, были меньше, чем сумма нагрузок от сооружения и силы сопротивления по боковой поверхности в нижней части сваи, заглубленной в ненабухающие грунты. Для увеличения сил сопротивления в заделанной части сваи можно применять винтовые сваи или сваи с улучшенной пятой.

К конструктивным мероприятиям относится увеличение жесткости здания путем разбивки его на отдельные отсеки осадочными швами, армирование поясов, устраиваемых в нескольких уровнях по высоте.

9 Вид биогенного грунта

Данные для решения задачи:

Содержание твердой фазы биогенного грунта (mтв B), г
минеральные частицы (mм.в)	растительные остатки (mр.о B)	гумус (mг)

Определяем относительное содержание органики:

;

I B от B > 0,5 – значит, грунт является торфом.

Вычисляем степень разложения торфа:

;

D B pd B < 20 % – торф является слаборазложившимся.

9.1 Методы строительства на биогенных грунтах

Фундаменты, возводимые на водонасыщенных биогенных грунтах (заторфованных, торфах и сапропелях) и илах или включающих эти грунты, должны проектироваться с учетом их большой сжимаемости, медленного развития осадок во времени и возможности, в связи с этим, возникновения нестабилизированного состояния, существенной изменчивости и анизотропии прочностных, деформационных и фильтрационных характеристик и изменения их в процессе консолидации основания, а также значительной тиксотропии илов. Следует учитывать также, что подземные воды в биогенных грунтах и илах, как правило, сильно агрессивны к материалам подземных конструкций. Опирание фундаментов непосредственно на поверхность сильнозаторфованных грунтов, торфов, слабоминеральных сапропелей и илов не допускается.

10 Определение возможных деформаций морозного пучения пылевато-глинистого грунта, залегающего в основании сооружения

Плотность грунта 1,84 г/смP³, плотность частиц грунта 2,70 г/см³. Место строительства - Котлас, средняя температура воздуха для зимы M0 = - 9,1 ⁰С.

Вычисляем критическую влажность, при которой прекращается перераспределение влаги в промерзающем грунте:

;

Плотность сухого грунта: г/см³.

Рассчитываем параметр для определения степени пучинистости:

Исследуемая тугопластичная глина является чрезмернопучинистым грунтом, т.к.. Ее относительная деформация при промерзании составит f >0,12,

или более 12 % от глубины промерзания грунта.

11 Определение максимальной плотности и оптимальной влажности уплотнения грунта в насыпи, график зависимости плотности грунта от влажности

Для того, чтобы определить максимальную плотность ()и оптимальную

влажность (), необходимо построить график зависимости плотности сух. грунта () от влажности (W). Все вычисления сводим в таблицу:

№ опыта	Плотность, ρ, г/см3	Влажность, W	Плотность сух. грунта,, г/см3
	1,46	0,05	1,39
	1,61	0,10	1,46
	1,74	0,15	1,51
	1,86	0,20	1,55
	1,96	0,25	1,57
	1,99	0,30	1,53

Рис. 2. График зависимости плотности сух. грунта от влажности

По графику определяем оптимальную влажность грунта () и соответствующую ей максимальную плотность ().

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Ананьев В. П., Потапов А. Д., Инженерная геология [текст]: учебник для строительных специальностей вузов / В. П. Ананьев, А. Д. Потапов. - М.: Высш. шк., 2005. - 575 с.

Горная энциклопедия [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.mining-enc.ru/, свободный. - Загл. с экрана. - Дата обращения 26.03.2013.

Википедия - свободня энциклопедия [электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/, свободный. - Загл. с экрана. - Дата обращения 26.03.2013.

Невзоров А. Л., Коптяев В. В. Инженерная геология: Задания к контрольным работам № 1, 2 для студентов заочного факультета. 2-е изд., испр. и

доп. – Архангельск: Изд-во АГТУ, 2004. – 33 с.