757

УДК 55с

ББК 26.3

Ч-494

Черноусов, С.И.

Ч-494 Инженерная геология для транспортных строителей: Учеб. пособие. — Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. — 290 с.

ISBN978-5-93461-555-1

В учебном пособии приведены современные сведения о строении Земли, геологической истории земной коры. Дано описание породообразующих минералов, горных пород и характеристика свойств грунтов, используемых при строительстве. Подробно рассмотрены геологические денудационные процессы и охарактеризованы генетические типы грунтов, образованных в результате их деятельности. Приведена характеристика подземных вод, их агрессивность и виды дренажа для их понижения. Охарактеризованы геологические процессы, обусловленные воздействием воды и отрицательной температуры на грунты. Дано описание грунтовых массивов, являющихся средой подземных сооружений, и приведена характеристика геологических процессов в подземных выработках. Изложены основные принципы инженерно-геологических изысканий. Приведена краткая характеристика инженерно-геологических условий территории Российской Федерации.

Для студентов строительных специальностей вузов.

УДК 55с

ББК 26.3

Утвержденоредакционно-издательским советом университетав качестве учебного пособия.

Ответственный редактор д-р техн. наук, проф. А.М. Караулов

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Инженерная геология, основания и фундаменты» Новосибирс- когогосударственногоархитектурно-строительногоуниверситета(завкафед- рой канд. техн. наук, проф. Л.В. Нуждин);

ведущий научный сотрудник Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН д-р геол.-минер. наук, проф. НГУ

В.С.Кусковский;

главный инженер Сибжелдорпроекта филиала ОАО «Росжелдорпроект»

А.В.Кузин

ISBN 978-5-93461-555-1 Черноусов С.И., 2012

Сибирский государственный университет путей сообщения, 2012

Учебное издание

Черноусов Сидор Иванович

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СТРОИТЕЛЕЙ

Учебное пособие

Редактор М.А. Жуковская

Компьютерная верстка Ю.В. Борцова Дизайн обложки А.С. Петренко

Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98 Подписано в печать 23.05.2012

Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения 630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191

Тел./факс: (383) 328-03-81. Е-mail: press@stu.ru

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Инженерная геология для транспортных строителей»подготовленовсоответствии собразовательными стандартами высшего профессионального образования последнего поколения по направлениям подготовки: 271501 «Строительство железных дорог, мостов и транспортных тоннелей» (квалификация (степень) специалист) и 270800 «Строительство» (квалификация (степень) бакалавр).

Пособиерекомендуетсястудентамвузов, обучающимсяпоследующим специальностям: строительство железных и автомобильных дорог, промышленное и гражданское строительство, водоснабжение и водоотведение, транспортные тоннели и метрополитены и городские транспортные сооружения.

В соответствии с государственными стандартами в учебном пособии освещены основы общей геологии, гидрогеологии, происхождения и классификации горных пород, грунтов и геологическиепроцессы, происходящие в земной коре и на ее поверхности.

Содержание пособия подготовит будущих специалистов к решению следующих задач:

—формированиютехническихзаданийнавыполнениеинженерногеологических изыскательских работ;

—оценке инженерно-геологических условий территории строительства и проектирования объектов строительства с учетом местных природных условий;

—составлению технологической схемы на сооружение: промыш- ленно-гражданского объекта, моста, подземногосооружения — с уче- томособенностейинженерно-геологическихусловийтерриториистро- ительства или грунтового массива, в котором располагается подземное сооружение.

При освещении геологических денудационных процессов большое внимание было уделено характеристике свойств генетических типов грунтов,связанныхспроявлениемэтихпроцессов, таккаквбольшинстве случаев именно с грунтами четвертичного возраста приходится иметь дело строителям.

При работенад книгой автор использовалопыт преподавания этой дисциплины в Сибирском государственном университете путей сообщения.

При характеристике свойств грунтов и геологических процессов использованырезультаты научной работы кафедры геологии, оснований и фундаментов этого университета и опубликованные научные работы.

Автор учебного пособия глубоко признателен рецензентам: доктору геолого-минералогических наук, профессору В.С. Кусковскому, кандидатутехническихнаук,профессоруЛ.В.Нуждину, профессорам А.М.КарауловуиЮ.П.Смолину,доцентуА.Л.Ланисузакритическое рассмотрение текста пособия и замечания по его содержанию. Автор благодарит за помощьвподготовке рукописи кизданиюЕ.В. Махачеву и инженеров Д.А. Разуваева и Е.Л. Ланис за труд по подготовке рисунков.

ВВЕДЕНИЕ

Инженерная геология является одной из дисциплин геологии — науки о планете Земля.

Геологияизучает внутреннеестроениеЗемли, горныепороды, подземныеводы, полезныеископаемыеи ихпроисхождение. Она изучает геологические процессы, происходящие в недрах и на поверхности планеты. Геология имеет обширную область практического применения — поиск и разведку полезных ископаемых: металлов, каменного угля, нефти, газа, строительных материалов.

Большое значение геологические знания имеют для строителей транспортных и промышленно-гражданских сооружений. Все инженерныесооружениявозводятсяна горныхпородах,слагающихЗемлю, в массиве горных пород и часто из горных пород. Устойчивость сооружений зависит не только от прочности и надежности их конструкций,ноиоттого,насколькоустойчивымиявляютсягорныепороды (грунты), служащие основанием или средой этих сооружений.

Трахит 46 Трепел 66

Трещинные воды 157 Трещиноватость 215 Тропосфера 9 Турбулентное движение 116 Туфы 49

У

Угол наклона пласта 85 Удельный вес грунта 33 Ультраосновные породы 42, 48 Уплотненные грунты 74 Укрепленные грунты 79 Усадка глин 59

Устойчивость грунтов в тоннеле 221 Устойчивость оползней 186

Ф

Флювиогляциальные грунты 109 Фракции обломков 54

Х

Халцедон 19 Химические породы 53, 65

Химический состав земной коры 12 Хлоритовый сланец 70

Ц

Цвет минерала 14 Цементированные породы 62 Цунами 96

Ч

Четвертичный период 102 Четвертичные отложения 104 Число пластичности 57

Ш

Шельф 127 Шкала Мооса 16

Шпунтовое ограждение 183 Штамповые испытания 252 Штольня 241 Шурф 242

Щ

Щебень 55 Щиты 86

Э

Экзогенные процессы 5 Элементы залегания пласта 85 Элювий 110 Эндогенные процессы 5 Эоловые грунты 135

Эоловые формы рельефа 135 Эпицентр 88 Эра 97 Эрозия 111

Эрозионные террасы 124 Эффузивные породы 41

Ю

Ювенильные воды 145

Я

Ядро Земли 11 Яшма 67

История развития геологии обусловлена развитием человеческого общества, и прежде всего требованиями развивающейся промышленности. Первые научные работы по геологии в России принадлежат М.В. Ломоносову (1711–1765 гг.): «Первые основания горной металлургии или рудных дел» (1743 г.), «О слоях Земли» (1763 г.) и др.

Инженерная геология является отраслью геологии, изучающей верхниегоризонты земной коры в связи с инженерной деятельностью человека. Ни одно инженерное сооружение (железная дорога, мост, тоннель, жилой дом) не может быть построено без предварительного изучения геологических условий местности будущего строительства.

Основной задачей инженерной геологии является изучение инже-

нерно-геологических условий территории строительства:

—характера слагающихданнуюместностьгорныхпород, условий их залегания, их физико-механических свойств;

—наличия подземных вод, условий залегания, влияния их на состояние горных пород и устойчивость строительных конструкций;

—строения рельефа;

—геологических процессов, как природных, так и вызванных инженерно-хозяйственной деятельностью человека, осложняющих строительство и эксплуатацию инженерных сооружений.

К природным геологическим процессам относятся эндогенные и экзогенные процессы.

Эндогенные(глубинные)процессыпроисходятподдействиемвнут-

ренней энергии Земли. К ним относятся: магматизм, тектонические движения земной коры, землетрясения.

Экзогенные (поверхностные) процессы происходят под действием тепловой энергии Солнца, воздействия на породы Луны и других планет. К ним относятся выветривание горных пород, разрушение пород действием речных, морских, подземных вод, ветра и льда.

В настоящее время выделяется группа инженерно-геологических процессов, обусловленных инженерной деятельностью человека.

От других отраслей геологии (минералогии, палеонтологии и др.) инженерная геология отличается тем, что в число объектов изучения она включаетинженернуюдеятельностьчеловека, какфактор, влияющий на геологическую жизнь местности. Инженерная геология не только изучает природную геологическую обстановку местности до начала строительства, она должна предвидеть изменения, которые

произойдут в геологической среде, в горных породах в процессе строительства и эксплуатации сооружения.

АкадемикЕ.М.Сергеевсчитает,чтоинженернуюгеологиюследует определятькакнаукуогеологической среде, еерациональномиспользовании и охране в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека. Под геологической средой следует понимать любые горные породы и почвы, слагающие верхнюю часть литосферы, которые рассматриваются как многокомпонентныесистемы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводиткизменениюприродныхгеологическихпроцессовивозникновению новых антропогеновых (инженерно-геологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определенной территории.

В современном представлении инженерная геология включает три самостоятельные научные направления, изучающие геологическую среду: грунтоведение (изучение грунтов), инженерная геодинамика (изучение геологических процессов) и региональная инженерная геология (изучение инженерно-геологических условий территорий). В последнее время инженерная геология успешно развивает новое направление «геоэкологию» — науку об отношении живых организмов и человеческого общества с геологической средой.

Возникновение и развитие инженерной геологии. Первым рус-

ским инженерно-геологическим руководством по вопросам определения качества грунтов можно считать книгу профессора Института корпусаинженеровпутейсообщения(ЛИИЖТа,СПГУПСа)М.С. Волкова «Обисследовании грунтовЗемли, производимомвстроительном искусстве», опубликованную в 1836 г. Зарождение инженерно-геоло- гических исследований для целей железнодорожного строительства в Россииотноситсяк1842г., началупостройкипервойжелезнойдороги Петербург—Москва. Систематические геологические исследования производилисьпристроительствеВеликогоСибирскогопути(1893г.) и Черноморской железной дороги Туапсе—Сочи—Тбилиси (1910– 1916 гг.).

Инженерная геология как наука оформилась в Советском Союзе в 20-х гг. двадцатого столетия. Решающее значение для ее формированияимелостроительствогидроэлектростанций на Днепре, трассканалов, крупных промышленных заводов и новых городов. Большое значение для развития инженерной геологии имели работы: Ф.П. Са-

Палеозойская эра 99 Пегматит 44 Пемза 49 Песок 55 Песчаник 63 Пещеры 178 Пирит 18 Пироксенит 48 Плагиоклаз 26 Платформы 86

Пленочная вода 142 Плотность грунта 33 Плотность минерала 17 Плывуны 181 Поверхность скольжения 185

Поглощающие выработки 165 Подземные воды 142 Подтопления 150 Полевые шпаты 26

Полускальные грунты 36, 208 Пористость грунтов 33 Порфирит 46 Порфировая структура 41 Пойма 120 Почва 62

Предел прочности 34 Пролювий 113 Прорыв 231 Просадочность 59 Псевдоплывуны 182

Пьезометрический уровень 155 Пятящаяся эрозия 111

Р

Радиоактивность пород 18 Радоновые воды 145, 158 Разведочные выработки 241 Разведочные работы 241 Разведка месторождений 249 Ракушечники 65 Расслаивание пород 229 Растворимость 17 Расчистка 239 Реакционные минералы 17 Регрессия моря 86 Речные отложения 118, 120

Роговая обманка 25 Родонит 24 Русловой аллювий 120 Рыхлые грунты 54

С

Самородные минералы 18 Сапропель 62, 131 Сброс 84 Сдвижение грунтов 233

Сейсмическая шкала 90 Сейсмические области 90 Сейсмология 89 Сели 113 Серпентин 25 Сиенит 45 Силикаты 24 Синклиналь 82

Скальные грунты 34, 44, 62 Складки породы 82 Слюды 27 Снежные лавины 114

Согласные напластования 53 Спайность минерала 15 Способ трех точек 153 Старица 119 Старичный аллювий 120 Структура пород 31 Суглинок 56 Супесь 56 Сульфаты 22 Сульфиды 18 Суффозия 180

Т

Талики 199 Твердость минералов 16 Текстура 31 Тектогенез 80 Тектонит 71 Тепло Земли 8 Термокарст 200 Террасы 122

Техногенные грунты 73 Тиксотропия 183

Торф 61, 132

Трансгрессия моря 86

Коэффициент крепости грунтов 36, 212 Коэффициент упругого отпора 210 Коэффициент устойчивости оползня 187 Коэффициент фильтрации 159 Кремнистые грунты 66 Кристаллическая структура 40 Кристаллические сланцы 70

Л

Лабрадор 27 Лабрадорит 47 Лава 40 Лавины снежные 114 Лакколит 41

Ламинарное движение 159 Ледники 105 Ледниковые грунты 107 Ленточные глины 109 Лёссовые грунты 59 Лимонит 20 Липарит 45 Литосфера 11, 80

Литосферные плиты 80 Литоральные отложения 127 Льдистость грунтов 199

М

Магма 38 Магматические породы 37 Магнитуда 89 Макропоры 59 Малахит 22

Максимальная плотность 74 Мантия 11 Меандры 119 Межень 116 Мезозойская эра 101 Мел 65

Мелиорация грунтов 73 Мергель 66 Мерзлотный пояс 202

Месторождение минеральное 249 Метаморфизм 67

Метод RQD 216

Минералы 12 Минерализация воды 146

Многолетнемерзлые грунты 197

Модуль деформации 210 Модуль трещиноватости 217 Модуль упругости (Юнга) 209 Моноклиналь 83 Монолит 242 Монтмориллонит 29 Морена 107 Моретрясения 96 Морозоустойчивость 214 Морозное пучение 192 Морские грунты 128 Мрамор 71 Мусковит 28

Н

Набухание глин 58 Надвиг 84 Надпойменные террасы 122 Наледи 201 Напорные воды 154

Несогласное напластование 84

О

Обвалы 191 Обломочные грунты 54 Обнажения грунтов 239 Обсидиан 49

Обводненность массива 218 Овраги 111 Озерные грунты 131, 133 Озы 109 Окаменелости 97 Окислы 19 Оледенение 105 Опал 19 Оползень 185

Оптимальная влажность 74 Органогенные породы 65 Ортоклаз 26 Осадочные породы 50 Основные породы 42 Осыпи 191

Отдельности пород 38, 44 Оценка воды 148

П

Палеоген 101 Палеонтологический метод 97

варенского(авторкниги«Инженернаягеология»,1931г.),И.В.Попова (автор учебников «Основы инженерно-геологического грунтоведения», 1940 г., и «Инженерная геология», 1951 г.), В.А. Приклонского (автор учебника «Общее грунтоведение», 1943 г.).

В послевоенное время в связи с восстановлением разрушенных городов, строительством новых крупных промышленных объектов, гидроэлектростанций,освоениемсибирскихрегионовинженерно-гео- логические исследования активизировались. Изданы новыеучебники по инженерной геологии профессорами Б.М. Гуменским, В.Д. Ломтадзе, Н.Я. Денисовым, Н.В. Коломенским, Е.М. Сергеевым, В.П. Ананьевым, А.Д. Потаповым и другими учеными.

По инициативе академика Е.М. Сергеева и под его редакцией опубликован крупный коллективный труд в восьми томах «Инженерная геология СССР» (1976–1978 гг.), в котором приведена полная характеристика инженерно-геологических условий территории России и стран ближнего зарубежья.

Глава 1. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Планета Земля имеет форму «геоида», незначительно отличающуюся от эллипсоида вращения. Небольшая разница междувеличинами радиусовэкваториального—6378кмиполярного—6356кмпозволя- ет считать Землю шаром с радиусом 6371 км. Общая площадь земной поверхностисоставляет510млн км2,изкоторых70,8%приходитсяна моря и океаны и только 29,2 % на сушу.

1.1. Физические свойства вещества Земли

Поданным геофизическихисследований, средняя плотностьвещества Земли составляет 5,52 г/см3. Плотность поверхностных горных пород равна 1,6–2,8 г/см3, плотность огромных масс воды, морей и океанов составляет 1 г/см3. По теоретическим расчетам плотность вещества Земли сглубиной возрастаети на глубинах50км составляет 3,3 г/см3, 100 км — 5,0 г/см3, в центре планеты 13,6 г/см3.

С увеличением плотности вещества к центру Земли происходит и увеличение давления на единицу поверхности. При плотности поверхностных пород 2,7 г/см3 давление на площадь 1 см2 с глубиной возрастает и составляет на глубине 100 м — 270 Н/см2; 1 км — 2700 Н/см2;10 км—27000Н/см2, т.е.сглубинойпроисходитувеличение горного давления на конструкции подземных сооружений.

ТепловоесостояниеЗемли обусловленополучениемтеплаот Солнца и внутренним теплом, возникающим при радиоактивном распаде химических элементов. Солнечное тепло проникает внутрь Земли до сравнительнонебольшой глубины, гдесуточныеи годовыеколебания незаметны. СлойЗемли,вкоторомколебаниягодовойтемпературыне заметны и где она остается постоянной, называется поясом постоянной температуры. На территории России глубина пояса постоянной температуры составляет около 20 м (рис. 1).

Температура, °С

Глубина, м

Рис. 1. Изменение температуры с глубиной в земной коре:

I — зона сезонного промерзания; II — зона переменных температур; III — зона постоянных температур; IV — зона нарастающих температур

По мереуглубления нижеэтого пояса температура Земли повышаетсявсреднемна3°Снакаждые100м.Всвязисэтимвводитсяпонятие о геотермическом градиенте — изменение температуры в градусах на 100 м глубины. Средняя величина углубления в метрах, при которой температура повышается на 1 °С, называется геотермической ступенью. Среднее значение геотермической ступени равно 33 м. Вместе с темизвестно,чтовеличина геотермическойступениможетизменяться от 5 до 100 м в зависимости от местных геологических условий (вулканическая деятельность, многолетняя мерзлота).

Значения геотермических градиента и ступени на территории России представлены в табл. 1.

Горообразование 82 Горст 83 Грабен 83 Гравий 55

Гранитный слой 10 Гранит 44 Гривный рельеф 136

Грубообломочные грунты 55 Грунты 32 Грунтоведение 6 Грунтовые воды 150 Грунтонос 245 Грунтовый массив 203

Гумус 62

Д

Дайка 41 Дебит скважины 163 Делювий 110 Денудация 105

Депрессионная воронка 161 Деятельный слой 192 Диабаз 47 Диатомит 66

Динамометаморфизм 68 Диорит 46 Дислокации складчатые 82

Дислокации разрывные 83 Дисперсные грунты 54 Долина речная 122 Доломит 21 Донная эрозия 116 Дренажи 161

Дренаж вертикальный 164 Дренаж горизонтальный 167 Дренаж лучевой 169 Дресва 55 Дунит 48

Дюны 135

Ж

Жесткость воды 146

Жеода 13

З

Загазованность массивов 218 Загрязнение вод 175

Закон Дарси 159 Замораживание плывунов 184 Зандры 109 Запасы воды 173, 218 Землетрясения 88 Земная кора 9

Зондирование грунтов 253

И

Известняки 65 Илы 62

Инженерная геология 5 Инженерно-геологическая карта 240 Инженерно-геологический разрез 246 Инженерно-геологический элемент 249 Интрузивные породы 40 Инфильтрационные воды 145 Истинные плывуны 182

К

Кайнозойская эра 101 Кальцит 21 Каменный уголь 72 Каолинит 29 Капиллярная вода 143

Каптажные скважины 166 Карбонаты 21 Карст 176

Карстовые воронки 178 Карта гидроизогипс 152 Кварц 19 Кварцевый порфир 42 Кварцит 72 Керн 245

Кислые породы 42 Коллоидно-дисперсные минералы 28 Колонка скважины 246 Колонковое бурение 243 Конгломерат 63 Конденсационные воды 145 Консистенция 57 Кора выветривания 51

Коэффициент бокового давления 210 Коэффициент водонасыщения 34 Коэффициент выветрелости 36 Коэффициент пористости 34 Коэффициент Пуассона 210

Изменение температуры в скважинах и теоретические расчеты свидетельствуют, что температура Земли составляет на глубинах

10 км 300 °С; 60 км 600 °С; 2900 км 2500 °С.

Учет увеличения температуры Земли с глубиной имеет практическое значение при строительстве тоннелей, шахт, бурении скважин. Так, при проходке Северо-Муйского тоннеля на БАМе температура достигала 40 °С, а при проходке Симплонского тоннеля в Альпах на глубине2 690мтемпература достигала 50°С,чтосущественноосложняло строительные работы.

1.2. Геосферы Земли

Согласно результатам геофизических исследований (сейсмическим —поскорости распространениясейсмических волн) наша планета состоит из геосфер (оболочек).

1.Атмосфера—газоваяоболочкапланеты, общаямощностьболее 2000км.Состоитизгазов:азота,кислородаидр.Плотность0,0015 г/см3. Выделяются зоны:экзосфера, ионосфера, тропосфера. Тропосфера— подвижнаяоболочка мощностью10км, состоитиз воздуха, прилегает

ктвердой поверхности Земли. Температура верхних слоев составляет

–55 °С.

2.Гидросфера — водная оболочка мощность 0–11 км, состав — вода, плотность 1 г/см3.

3.Земная кора — твердая, наиболее изученная геосфера Земли. Выделяется два типа земной коры — материковая и океаническая. Материковая земная кора состоит из трех толщ (рис. 2):

— верхняя толща осадочных пород — мощность от 10 км на равнинах до 25 км в горноскладчатых областях. Плотность пород изменяется от 1,6 г/см3 до 2,6 г/см3. Для толщи характерны низкие значения скоростей сейсмических волн — 3…5 км/с;