Лекция №1 Планеты солнечной системы и Луна. Вещественный состав земной коры



страница4/4
Дата04.05.2016
Размер0.61 Mb.
1   2   3   4
Распространение многолетней мерзлоты. Криогенные процессы и мерзлотные формы рельефа. Сезонная и вечная мерзлота.

Под вечной мерзлотой понимается такое состояние грунтов, при котором они в течении длительного времени, измеряющегося сотнями и тысячами лет, сохраняют отрицательные температуры. В отличие от вечной мерзлоты сезонная мерзлота сковывает грунты только зимой, летом же грунты полностью оттаивают. Сезонная мерзлота развивается зимой в умеренных и высоких широтах. Вечная мерзлота распространена очень широко, занимает около 20% площади современных континентов и к настоящему времени хорошо изучена, особенно в России, где ею занято около 10 млн. км2.

Причины возникновения и границы распространения вечной мерзлоты. Частично у южных границ вечная мерзлота представляет собой реликтовое явление, унаследованное от прежних, более суровых климатических условий, на что указывают хорошо сохранившиеся в мерзлых грунтах трупы вымерших животных (например, мамонтов), глубокое залегание верхней границы вечной мерзлоты и отсутствие связи с замерзающими зимой грунтами, т.е. наличие талых слоев между сезонной и вечной мерзлотой. Вместе с тем вечная мерзлота может возникнуть и в современных климатических условиях, на что указывает промерзание недавно образовавшихся речных островов, отвалов грунта, промытого при добыче золота, и дорожных насыпей. Сохранению и развитию вечной мерзлоты способствуют:

  1. продолжительные низкие зимние температуры;

  2. незначительная мощность снегового покрова;

  3. короткое и сравнительно прохладное лето.

Большое значение имеют также состав грунтов, ориентировка склонов и их уклон, степень развития растительного покрова и заболоченности, хозяйственная деятельность человека и ряд других местных факторов. По распространению на местности вечную мерзлоту можно подразделить на островную – отдельные участки, скованные вечной мерзлотой и расположенные среди талых грунтов; несплошную – острова (окна) талых грунтов (таликов) среди мерзлых грунтов и сплошную. На территории России вечная мерзлота островами распространена на Кольском полуострове, охватывает полуостров Канин, Мезенскую, Малоземельскую и Большеземельскую тундры, далеко (до верховьев р. Вишеры) спускается к югу по Уралу, захватывает северную часть Зап. Сибири, практически, в соответствующих местах, может быть встречена всюду восточнее р. Енисея, так как здесь границы распространения мерзлоты проходят южнее государственных границ России. Только Приамурская низменность, низкогорье Приморья лишены вечной мерзлоты, но по горным вершинам Сихотэ-Алиня она прослеживается далеко к югу.

Строение толщи вечномерзлых грунтов. Мощность вечной мерзлоты различна и изменяется от дециметров до 1600 метров. Наибольшая мощность наблюдается на севере Якутии. В вертикальном разрезе вечная мерзлота может быть неслоистая и слоистая, при которой чередуются мерзлые и талые слои. Талыми обычно остаются водопроницаемые слои, в которых происходит интенсивная циркуляция подземных вод. Скованные вечной мерзлотой грунты лежат на некоторой глубине от дневной поверхности. Слой грунта выше них, оттаивающий летом и замерзающий зимой, называют деятельным слоем. Мощность его сильно зависит от климатических условий. На севере Якутии она не превышает 1 – 1,5 м, а в Приморье и Южном Забайкалье достигает местами 5-7 метров. Значительна также роль механического состава и водопроницаемости грунтов: в галечниках она > 4 м, в песках – 1,5-2 м, в глинах – 1,0-1,2 м, а в торфе не более 0,8 м. На затененных и сильно увлажненных участках мощность деятельного слоя меньше, чем на открытых и сухих.

Подземные воды и лед в вечномерзлых грунтах. Грунты, имеющие t0 – 00 и ниже, могут быть теоретически подразделены на сухие, имеющие открытые поры, заполненные воздухом и влажные, у которых поры заполнены льдом и реже водой, не замерзающей из-за насыщения ее солями или за счет высокого давления.

Лед находится в различных соотношениях с грунтами. Наиболее распространенный случай – заполнение льдом пор и трещин в горных породах. Лед в крупных трещинах и пустотах может находиться в виде ледяных жил и клиньев. Наконец, могут быть мощные скопления льда в виде слоев, больших линз, глыб, погребенных среди слоев, скованных вечной мерзлотой.

Такие массы льда, сохраняющиеся длительное время, получили название каменного или ископаемого льда.

В условиях вечной мерзлоты существуют и водоносные горизонты, которые делятся на надмерзлотные (находятся в деятельном слое), межмерзлотные (циркулируют в талых прослоях) и подмерзлотные (залегают ниже слоя вечной мерзлоты). Межмерзлотные и подмерзлотные воды заслуживают большого внимания как источники водоснабжения. С надмерзлотными – связан ряд рельефообразующих процессов, в частности – образование наледей. Надмерзлотные воды в большинстве случаев сезонные; летом циркулируют в оттявшем деятельном слое, а зимой промерзают, и только там, где слой сезонной мерзлоты не смыкается с вечной мерзлотой, эти воды находятся в движении круглый год. Связанные с этими водами наледи образуются зимой, когда надмерзлотная вода, движущаяся по склону, оказывается между вечной мерзлотой и слоем сезонной мерзлоты. Живое сечение водоносного слоя сокращается, и вода оказывается под сильным напором. При малом притоке и напоре происходит вспучивание грунта и образование тонкого слоя воды в образовавшейся полости. При замерзании ее возникает подземная наледь; в случае концентрации напора под небольшим участком поверхности образуется бугор с водяным ядромгидролакколитом, у которого вода может позднее замерзнуть, и бугор с ледяным ядром будет долго сохраняться в рельефе. Если давление оказывается большим и воды поступает много, то слой сезонной мерзлоты взрывается и вода выливается на поверхность, где быстро замерзает и превращается в грунтовую наледь.

Наледи образуются и на реках в тех местах, где при быстром нарастании ледяного покрова и водоупорном (например, скальном) дне вода не успевает проходить через оставшееся живое сечение. Взламывая лед (иногда прорываясь через галечный аллювий на пойму), вода выходит на поверхность, заливает большие пространства и замерзает. При достаточно обильном подземным питании данной реки размеры наледей (площадь и мощность) могут оказаться до 10 км2, а мощность – до 30-40 метров. Такие крупные наледи иногда не успевают стаять за лето. На выходах источников подмерзлотных и межмерзлотных вод зимой часто образуются родниковые наледи (накипи).

Специфичным процессом в условиях вечной мерзлоты является термокарст. Развивается он в том случае, когда нарушается режим мерзлых грунтов, содержащих погребенные (каменные) льды. При таянии этого льда, лежавшие на нем грунты оседают, образуются впадины и воронки, достигающие больших размеров по площади и глубине, похожие на карстовые воронки, за что это явление и получило свое название. В образующихся впадинах может сохраняться вода (термокарстовые озера), а в случае ее ухода – образуется котловина – алас с заболоченным, иногда сухим, дном. Термокарст может развиваться и при отсутствии сплошных масс ископаемого льда. Многие грунты, накапливающиеся в долинах рек, в озерах и болотах, часто обладают очень большой льдистостью, то есть объем льда в них очень велик (до 60% и более от общего объема образца грунта). При оттаивании такого грунта, как и при классическом термокарсте, возникают просадки, формируются впадины и котловины. На месте прохождения тракторов, разрушающих растительность, предохранявшую грунт от таяния, в тундре возникают глубокие рвы, исключающие возможность дальнейшего пользования накатанным путем.

При оттаивании льдистого грунта на склонах он, будучи насыщен водой, разжижается и сползает. Природный процесс развивается сравнительно медленно и известен под названием солифлюкции. В результате его на склонах появляется сеть мелких бороздок, иногда возникают бугры наползающего грунта, которые чаще образуются в основаниях склонов и на дне долин. Растительный покров даже тундровых растений сдерживает этот процесс, замедляет его развитие. При воздействии на местность человека (например, уничтожение растительного покрова) оттаивание грунтов резко возрастает, усиливается их сползание, на склонах появляются борозды с разорванным и снесенным растительным покровом, разжиженные грунты начинают двигаться в виде потоков грязи, процесс принимает подчас катастрофические размеры и сильно разрушает склоны.

Рельефообразующая роль намерзлотных вод приводит к образованию не только бугров-лакколитов и наледей, но и к образованию так называемых булгунняхов, крупных бугров 10-20 метров, реже до 40 м. Также, содержащаяся в деятельном слое вода участвует в развитии различных форм микрорельефа тундровых пространств. К этим формам относится пятнистая тундра, каменные кольца, многоугольники и т.д.

Образование пятнистой тундры происходит при неравномерном промерзании деятельного слоя, когда в остающихся непромерзших участках возникает сильное давление, при этом грунт на поверхности растрескивается, а незамерзшая, разжиженная масса выдавливается на поверхность. Каменные кольца и многоугольники возникают на грунтах, содержащих щебень и валуны, которые выталкиваются на поверхность давлением разжиженных масс (под валуном замерзание происходит медленнее, чем в открытом грунте) с последующим расталкиванием вымороженных камней к краям глиняных пятен. Форма пятен определяется в значительной степени рельефом той поверхности, на которой они образуются. На ровной местности пятна округлые, на склонах – вытянутые вниз по склону.

Для районов развития вечной мерзлоты характерен высокий коэффициент стока, что объясняется полной водоупорностью замерзших грунтов и слабым испарением с холодной поверхности земли. Это отражается на работе рек, которые при значительных уклонах могут нести большое количество наносов. При уменьшении уклонов река отлагает большие массы принесенного материала, образуя промежуточные дельты, и, частично, освободившись от переносимого материала, течет дальше. В местах обильного отложения наносов (в пределах промежуточной дельты) образуются многочисленные рукава и протоки, широкие и высокие прирусловые валы, мели и т.д. При малых уклонах поверхности в этих местах возникают на пойме озера, вода которых сдерживается промерзшими прирусловыми валами.

Возведение зданий и различных инженерных сооружений на рыхлых (дисперсных) грунтах, скованных вечной мерзлотой, требует применения специальных конструкций, и принятия ряда мер, предохраняющих эти сооружения от разрушения. Даже обычные реперы при топографической съемке местности должны устанавливаться с соблюдением специальных требований. Реперы, установленные в деятельном слое, очень недолговечны, обычно на второй или третий год они вымерзают – вытягиваются из земли и падают. Происходит это от того, что замерзание грунтов деятельного слоя сопровождается его выпучиванием. Примерзший к скованным сезонной мерзлотой слоям репер приподнимается, а под его основание затекает разжиженный и еще не замерзший грунт, который летом мешает опуститься реперу на прежнее место. Ежегодно повторяясь, этот процесс приводит к полному выталкиванию репера на поверхность земли. Для предохранения реперов от вымораживания их надо устанавливать с заглублением и вмораживанием в слой вечной мерзлоты.

То же самое происходит и с инженерными сооружениями. Борьба с вредным влиянием вечной мерзлоты ведется или путем искусственного понижения ее уровня на такие глубины, при которых она не будет влиять на сооружение, или путем поддерживания мерзлоты в ее прежнем состоянии. Последний способ выгодней, т.к. его можно осуществить сравнительно простыми мерами. Для этого под жилыми домами оставляют неотапливаемое пространство, которое умышленно усиленно промораживают зимой, а летом предохраняют от прогревания. Обращенные к солнцу стороны сооружений (особенно их основание) затеняются, под стенами делается теплоизоляция, препятствующая передаче тепла на замерзшие слои через фундамент.

ЛЕКЦИЯ №9
Основные понятия и теория инженерно-геологических исследований. Инженерная геология – отрасль геологии, изучающая горные породы и геологические процессы, протекающие в верхних горизонтах земной коры, в связи с инженерной деятельностью человека. Важнейшими разделами инженерной геологии являются грунтоведение, инженерная геодинамика и региональная инженерная геология.

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.

Объектом изучения инженерной геологии являются грунты – почвы и горные породы, изучаемые как основание фундаментов различных инженерных сооружений, как среда, в которой строятся каналы, котловины, тоннели, карьеры и др., как строительный материал для возведения насыпей, дамб, плотин. Основными задачами всех выполняемых исследований являются изучение и оценка инженерно-геологических свойств грунтов (физических, механических, водных, коллоидно-химических и др.), т.е. тех свойств, которые определяют поведение горных пород при использовании их в качестве объектов инженерно-строительной деятельности. В некоторых случаях для строительства и эксплуатации сооружений может потребоваться искусственное улучшение инженерно-геологических свойств грунтов (инженерная мелиорация). Существует несколько классификаций грунтов: по их использованию, по гранулометрическому составу, по генезису и др. Классификация грунтов отражает их свойства. В настоящее время грунты согласно ГОСТ – 25100-95 разделяют на следующие классы - природные: скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные образования. Каждый класс имеет свои подразделения – группы, подгруппы, типы, виды и разновидности.



Скальные грунты. Их структуры с жесткими кристаллическими связями, например, гранит, известняк. Класс включает две группы грунтов:

  1. скальные, куда входят три подгруппы пород – магматические, метаморфические, осадочные сцементированные и хемогенные;

  2. полускальные в виде двух подгрупп – магматические излившиеся и осадочные породы типа мергеля и гипса.

Дисперсные грунты – состоящие из отдельных минеральных частиц (зерен) разного размера, слабо связанных друг с другом, образуются в результате выветривания скальных грунтов с последующей транспортировкой продуктов выветривания и их отложения. То есть в этот класс входят только осадочные горные породы. Класс разделяется на 2 группы – связных и несвязных грунтов. Для этих грунтов характерны механические и водноколлоидные структурные связи. Связные грунты делятся на три типа – минеральные (глинистые образования), органо-минеральные (илы, сапропели и др.) и органические (торфы). Несвязные грунты представлены песками и крупнообломочными породами (гравий, щебень и др.).

Мерзлые грунты. Имеют криогенные структурные связи, т.е. цементом грунтов является лед. В состав класса входят практически все скальные полускальные и связные грунты, находящиеся в условиях отрицательных температур. К этим трем группам добавляется группа ледяных грунтов в виде надземных и подземных льдов.

Техногенные грунты представляют собой, с одной стороны, природные породы – скальные, дисперсные, мерзлые, которые в каких-либо целях были подвергнуты физическому или физико-химическому воздействию, а с другой стороны, искусственные минеральные и органо-минеральные образования, сформировавшиеся в процессе бытовой и производственной деятельности человека. Последние нередко называют антропогенным образованием.

Состав грунтов. Химический состав грунтов является одной из важнейших характеристик, определяющих их свойства и состояние. Но гораздо более важной характеристикой грунтов является минеральный состав, определяющий, в конечном счете как саму породу, так и ее состояние и инженерно-геологические свойства. Наиболее распространенными в горных породах являются около 100 минералов. Эти минералы называют главными породообразующими. Другие обычно содержатся в породе в весьма незначительных количествах (доли %) и их называют акцессорными минералами. Кроме этого встречаются так называемые случайные минералы или примеси. Важным компонентом состава горных пород является ОВ, или как принято говорить, «биота».

Гранулометрический и микроагрегатный состав, имеет огромное значение при оценке инженерно-геологических свойств грунтов. Количественные соотношения и размер слагающих элементов в обломочных осадочных породах является одним из основных классификационных показателей. Все дисперсные горные породы состоят из частиц одной или нескольких фракций. Под фракцией понимается группа частиц определенного размера, обладающих некоторыми достаточно постоянными общими физическими свойствами. Под гранулометрическим составом понимается количественное соотношение различных фракций в дисперсных породах, т.е. гранулометрический состав показывает, какого размера частицы и в каком количестве содержатся в той или иной породе. Содержание фракции выражается в % по отношению к массе высушенного образца.

Грунты обладают пористостью, а наличие пор определяет возможность содержания в грунтах газов и воды. В зависимости от того, насколько заполнены поры одним из этих компонентов, грунты будут представлять собой двух – или трехкомпонентную систему. Полностью водонасыщенные грунты рассматриваются как двухкомпонентная система.



Строение грунтов. Под строением грунтов понимают совокупность их структурно-температурных особенностей, т.е. их структуру и текстуру.

Состояние грунтов. К числу характеристик, определяющих состояние грунтов, относят степень трещиноватости, выветрелости, влажности, водонасыщенности, плотности и др.

Основные понятия при оценке инженерно-геологических свойств грунтов. Плотность грунта – это отношение массы породы, включая массу воды в ее порах, и занимаемому этой породой объему. Плотность породы зависит от минералогического состава, влажности и характера сложения (пористости) ρ=m/v, где ρ – плотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; m – масса породы с естественной влажностью и сложением, г; vобъем, занимаемый породой, см3.

Плотность частиц грунта – отношение массы сухого грунта, исключая массу воды в его порах, к объему твердой части этого грунта: ρS=(m-mв) /VТ, где ρSплотность грунта, г/см3, кг/м3, т/м3; mвмасса воды в порах грунта, г; VТобъем твердой части грунта, см3.

Удельный вес грунта – характеризует отношение веса грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому этим грунтом объему, включая поры: γ = ρ·g, где γ – удельный вес грунта, H3; g – ускорение свободного падения, равное

9, 81 м/сек.



Пористость пород представляет собой характеристику пустот или свободных промежутков между минеральными частицами, составляющими породу: n = (Vп /V)∙100, где Vп – объем пустот породы, см3; V – объем, занимаемый породой, см3.

Коэффициент пористости – отношение объема пор к объему твердых минеральных частиц породы. Выражается в долях единицы: е = Vп/VS.

Влажность породы w – отношение массы воды, содержащейся в порах породы, и массе сухой породы.

Итак, физико-механические свойства дисперсных грунтов зависят от соотношения твердой и жидкой минеральных компонент грунта, а также от содержания биоты и газов. Наибольшее значение для скальных грунтов имеет содержание в них породообразующих минералов, их трещиноватость, и выветрелость.

В том случае, если в естественных условиях горные породы не обладают необходимой прочностью, устойчивостью или другими качествами, обеспечивающими рациональную конструкцию сооружения и его нормальную эксплуатацию, возникает необходимость в искусственном изменении (улучшении) их инженерно-геологических свойств. Искусственное изменение свойств горных пород называют технической мелиорацией. Современные способы технической мелиорации позволяют придавать связность сыпучим породам, монолитность скальным породам, разбитым трещинами; увеличивать прочность глинистых и песчаных рыхлых пород; уменьшать пылимость глинистых пород на дорогах; понижать водопроницаемость, повышать механическую прочность пород; повышать морозоустойчивость; повышать плотность рыхлых пород, изменять консистенцию глинистых пород и т.д.

Все способы изменения свойств пород можно разделить на две группы. Первая группа – способы, которые обеспечивают коренное изменение свойств пород на длительный срок. Это цементация, силикатизация, битумизация, глинизация, термическая обработка. Вторая группа – способы, при помощи которых свойства пород изменяют на короткое время, в основном на период производства строительных пород (замораживание и осушение).



В строительном деле важнейшей задачей является прогноз возможных нарушений природной среды и выработка рекомендаций по их устранению, то есть для этого нужна система управления природными процессами, которые будут сопровождать строительство. В связи с этим появился мониторинг, как новая отрасль науки. Мониторинг – это система наблюдений оценки и прогноза состояния окружающей человека природной среды. Дополнительно к этому в практику вошел другой термин – литомониторинг, который применим к земной коре, т.е. к геологической среде. Охрана земной коры складывается из трех основных проблем:

  1. охрана геологической среды;

  2. охрана почв;

  3. борьба с инженерно-геологическими процессами.

Геологическая среда включает в себя рельеф и горные породы земной коры. Строительство объектов серьезно нарушает геологическую среду. Поэтому при проектировании объектов следует составлять программу по предотвращению или восстановлению техногенно нарушенной геологической среды. При этом следует помнить, что природа, в свою очередь, постоянно изменяет геологическую среду. В силу естественных причин, связанных с глобальными геологическими процессами, протекающими как в глубинных зонах Земли, так и в ее поверхностной части, стоит вспомнить такие явления, как землетрясения, вулканизм, речная эрозия и т.д.

Охрана почв. Поверхностный слой земной коры – почвы играют одну из важнейших ролей в протекании жизненных процессов. Почвы – источник получения продуктов питания. Общая площадь почвенного покрова сокращается. Это во многом связано с отрицательным воздействием техногенной деятельностью человека. Перед строительством почвенный слой должен быть снят и размещен на другой территории, где почва может впоследствии принести человеку пользу. Строительство и эксплуатация объектов нередко приводит к образованию инженерно-геологических процессов, которые серьезно нарушают целостность земной коры (оползни, обвалы, провалы земной поверхности над подземными выработками, подтопление водой объектов и т.д.). Охрана земной коры в этих случаях складывается в виде разработки способов защиты территорий. Выбор способа защиты диктуется местными геологическими условиями и природной обстановкой.

Рекультивация нарушенных земель – восстановление поверхности земной коры, нарушенной в процессе техногенной деятельности человека.

Рекультивация бывает двух видов: горно-техническая и биологическая. Не менее важным мероприятием по охране природы при строительстве и эксплуатации объектов является борьба с запылением воздуха, загрязнением водоемов и зеленых массивов, против усиления эрозии, отравления почв.
1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница