Л Е К Ц И Я №1. Главная цель инженерной геологии — изучение природной геоло­гической обстановки местности до начала строительства

Главная цель инженерной геологии — изучение природной геоло­гической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и при эксплуа­тации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено, и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологиче­ских материалов.

Все это определяет основные задачи, которые стоят перед инжене­рами-геологами в процессе изыскательских работ еще до начала про­ектирования объекта (при принятии решения о строительстве, об инвестировании проекта и т. п.), а именно:

• выбор оптимального (благоприятного) в геологическом отноше­нии места (площадки, района) строительства данного объекта;

• выявление инженерно-геологических условий в целях определения наиболее рациональных конструкций фундаментов и объекта в целом, а также технологии производства строительных работ;

• выработка рекомендаций по необходимым мероприятиям и сооружениям инженерной зашиты территорий и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации сооружений.

Студенты должны иметь представления: о составе и порядке подготовки технического задания на инженерно-геологические изыскания, о составе программы инже­нерно-геологических изысканий, уметь квалифицированно анализи­ровать материалы отчета по инженерно-геологическим изысканиям, принимать по этим данным точные инженерно-строительные решения, оценивать долговременное влияние построенных объектов на природ­ную среду, а также то, как эта среда воздействует на нормальную эксплуатацию зданий и сооружений.

Сложный узел проблем, возникающих при взаимодействии совре­менных строительных объектов с окружающей, в том числе и с геологической средой, определяет необходимость для инженера-стро­ителя обладать знаниями в инженерной геологии, а для инженера-гео­лога — в области строительства. В настоящее время только такое «взаимопроникновение» позволяет грамотно и экологично решать все задачи при строительстве, эксплуатации, реконструкции и ликвидации строительных объектов.

Таблица 37

В табл. 37 показана роль и место инженерной геологии в строительстве зданий и сооружений. Техническое задание на инженерно - геологические изыскания выдает инженер-строитель, занимающийсяпроектированием объекта. В связи с этим инженер-строитель должен владеть определенными знаниями по инженерной геологии. Далее изыскания выполняет специализированная изыскательская организация. Каждая изыскательская организация, в том числе и поинженерно-геологическим изысканиям, специализируется, как правило, по определенному виду строительства — промышленно-гражданскому,дорожному, гидротехническому и др. Результаты изысканий в виде инженерно-геологического отчета передаются строительной проектной организации, где ведется проектирование объекта. В этой работе, как и при строительстве объекта, обязательно принимает участие инженер-геолог. Период эксплуатации объекта в ряде случаев также требуется участие инженера-геолога, чаще всего это бывает в связи с нарушением нормальной эксплуатации объекта (деформация зданий, подтопление фундаментов, оползневые процессы и т. д.)

В последнее время значительное место в строительной практике занимает вопрос реконструкции, перепрофилирования и реставрации зданий и сооружений в пределах существующей городской застройки. Это накладывает особую ответственность на инженеров-геологов,

которые должны оценить степень изменений в геологической среде за период эксплуатации зданий и сооружений и выработать рекомендации по дальнейшим проектным решениям в связи с изменившейся геологической обстановкой.

Задача исследований — изучение геологического строения, гео-мофологии, гидрогеологических условий, природных геологических и инженерно-геологических процессов, свойств горных пород и прогноз их изменений при строительстве и эксплуатации различных сооружений.

Ведение инженерно-геологических изысканий регламентируется основным нормативным документом в строительстве «Строительными нормами и правилами» СНиП 11-105—97 «Инженерные изыскания для строительства». Данный документ определяет порядок, состав, объем и виды выполняемых работ, изысканий для различных этапов проектирования, строительства и эксплуатации объектов в различных геологических обстановках, а также состав документации по результатам изысканий, порядок их предоставления и приемки, а также ответственность исполнителей и заказчиком (проектировщиков).

Состав исследований определяется программой, согласованной с проектной организацией. В состав работ входят: сбор, изучение и анализ имеющихся геологических материалов по району строительства; инженерно -геологическая и гидрогеологическая съемка; буровые и горно-проходческие разведочные работы; геофизические исследования; опытные полевые работы; стационарные наблюдения; лабораторные исследования грунтов и подземных вод; камеральная обработка и составление отчета.

Строение Земли

В общем виде, как установлено современными геофизическими исследованиями на основании: оценок скоростей распро­странения сейсмических волн, изучения плотности земного вещества, массы Земли, результатов космических экспериментов по определению распределения воздушного и водного пространств и другими данными, Земля сложена как бы несколькими концентрическими оболочками: внешними —атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная обо­лочка), биосфера (область распространения живого вещества, по В.И. Вернадскому) и внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия и литосфера) (рис. 1).

Непосредственному наблюдению доступны - атмосфера, гидросфе­ра, биосфера и самая верхняя часть земной коры. С помощью буровых скважин человеку удается изучать глубины в основном до 8 км. Проходка сверхглубоких скважин, которая осуществляется в научных целях в нашей стране, США и Канаде (в России на Кольской сверх­глубокой скважине достигнута глубина более 12 км, что позволило отобрать образцы горных пород для непосредственного прямого изу­чения). Основной целью сверхглубокого бурения является достижение глубинных слоев земной коры — границ «гранитного» и «базальтового» слоев или верхних границ мантии. Строение более глубоких недр Земли изучается геофизическими методами, из которых наибольшее значение имеют сейсмические и гравиметрические. Изучение вещества, подня­того с границ мантии, должно внести ясность в проблему строения Земли. Особый интерес представляет собой мантия, так как земная кора со всеми полезными ископаемыми образовалась, в конечном счете, из ее вещества.

Биосфера находится в постоянном взаимодействии с литосферой, гидросферой и атмосферой, что существенно сказывается на составе строении литосферы.

В целом под биосферой в настоящее время понимают область распространения живого вещества (живые организмы известных науке форм); это сложноорганизованная оболочка, связанная биохимически­ми (и геохимическими) циклами миграции вещества, энергии и ин­формации. Академик В.И. Вернадский в понятие биосферы включает все структуры Земли, генетически связанные с живым веществом, прошлой или современной деятельностью живых организмов. Большая часть геологической истории Земли связана с деятельностью живых организмов, особенно в поверхностной части земной коры, например, это весьма мощные осадочные толщи органогенных горных пород — известняков, диатомитов и др. Область распространения биосферы ограничивается в атмосфере озоновым слоем (примерно 18—50 км над поверхностью планеты), выше которого известные на Земле формы жизни невозможны без специальных средств защиты, как это осуще­ствляется при космических полётах за пределы атмосферы и на другие планеты. В недра Земли до последнего времени биосфера распростра­нялась до глубины Марианской впадины в 11521 м, однако при бурении Кольской сверхглубокой скважины достигнута глубина более 12 км, а это означает, что на данную глубину осуществлено проник­новение живого вещества.

Внутреннее строение Земли по современным представлениям со­стоит из ядра, мантии и литосферы. Границы между ними достаточно условны, вследствие взаимопроникновения как по площади, так и по глубине (рис. 1).

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твер­дого) ядра. Радиус внутреннего ядра (так называемый слой G) примерно равен 1200—1250 км, переходный слой (F) между внутренним и внешним ядром имеет мощность около 300—400 км, а радиус внешнего ядра равен 3450—3500 км (соответственно глубина 2870—2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 г/см³. В центральной части внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 г/см³. Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32 % всей массы Земли, в то время как объем всего примерно 16 % от объема Земли. Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90 % представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железо-никелевый состав, что полностью отвечает составу ряда метеоритов.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8 % от общей массы Земли (О.Т. Сорохтин, 1994). Под океанами в верхней мантии выделяется слой, в котором мантийное вещество находится в частично расплавленном состоянии. Весьма важным эле­ментом в строении мантии является зона, подстилающая подошву литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода сверху вниз от охлажденных жестких пород к частично расплавленному мантийному веществу, находящемуся в пластическом состоянии и составляющему астеносферу.

По современным представлениям мантия имеет ультраосновной состав (пиролита, как смеси 75 % перидотита и 25 % толеитового базальта или лерцолита), в связи с чем, ее часто называют перидотитовой или «каменной» оболочкой. Содержание радиоактивных элементов в мантии весьма низки. Так в среднем 10^-8 % U; ^10-7 % Th, 10^-6 %. Мантия в настоящее время оценивается как источник сейсмических и вулканических явлений, горообразовательных процессов, а также зона реализации магматизма.

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который имеет нижнюю границу или подошву по сейсмическим данным по слою Мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение скоро­стей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 км/с.

Для инженера-геолога земная кора является основным объектом исследований, именно на ее поверхности и в ее недрах возводятся инженерные сооружения, т. е. осуществляется строительная деятель­ность. В частности, для решения многих практических задач важным является выяснение процессов формирования поверхности земной коры, истории этого формирования.

В целом поверхность земной коры формируется под воздействием направленных противоположно друг другу процессов:

• эндогенных, включающих в себя тектонические и магматические процессы, которые ведут к вертикальным перемещениям в земной коре — поднятиям и опусканиям, т. е. создают «неровности» рельефа;

• экзогенных, вызывающих денудацию (выполаживание, выравнивание) рельефа за счет выветривания, эрозии различных видов и гравитационных сил;

• седиментационных (осадконакопление), как «выполняющих» осадками все созданные при эндогенезе неровности.

В настоящее время выделяются два типа земной коры: «базальто­вая» - океаническая и «гранитная»- континентальная.

Океаническая кора достаточно проста по составу и представляет собой некое трехслойное формирование.

- Верхний слой, мощность которого колеблется от 0,5 км в срединной части океана до 15 км у глубоководных дельт рек и материковых склонов, где накапливается практически весь терригенный материал, карбонатные осадки и бескарбонатными красными глубоководными глинами.

- Второй слой сложен подушечными лавами базальтов океанического типа, подсти­лаемый долеритовыми дайками того же состава; общая мощность этого слоя составляет 1,5—2 км.

- Третий слой в верхней части разряда представлен слоем габбро, который вблизи от срединных океанических хребтов подстилается серпентинитами; общая мощность третьего слоя лежит в пределах от 4,7 до 5 км.

Средняя плотность океанической коры (без осадков) равна 2,9 г/см³, ее масса —6,4 х 10²⁴ г, объем осадков 323 млн. км³. Океаническая кора образуется в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов за счет происходящего под ними выделения базальтовых расплавов из астеносферного слоя Земли и излияния толеитовых базальтов на океанское дно. Установлено, что ежегодно из растеносферы поступает 12 км³ базальтов. Все эти грандиозные тектоно-магматические процессы со­провождаются повышенной сейсмичностью и не имеют себе равных на континентах.

Континентальная кора резко отличается от океанической по мощ­ности, строению и составу. Ее мощность меняется от 20—25 км под островными дугами до 80км под молодыми складчатыми поясами Земли, Мощность континентальной коры под древними платформами составляет в среднем 40км. Конти­нентальная кора сложена тремя слоями, верхний из которых- осадоч­ный, а два нижних представлены кристаллическими породами. Осадочный слой сложен глинистыми осадками и карбонатами мелко­водных морских бассейнов и имеет весьма различную мощность - от 0 на древних щитах до 15км в краевых прогибах платформ. Под осадочным слоем залегают докембрийские «гранитные» породы, зача­стую преобразованные процессами регионального метаморфизма. Под этим слоем залегает базальтовый. Отличием океанической коры и континентальной является наличие в ней гранитного слоя. Далее океаническая и континентальная кора подстилается породами верхней мантии.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав, представленный, главным образом, легкоплавкими соединениями. Из химических эле­ментов преобладающими являются кислород (43,13 %), кремний (26 %) и алюминий (7,45 %) (табл. 2) в форме силикатов и оксидов.