Основы общей и инженерной геологии. Лекции

ТЕМА 1.

Основы общей и инженерной геологии.

1.1. Инженерная геология как наука о рациональном  использовании и охране геологической  среды. Предмет, задачи и история развития науки.

1.2. Происхождение, строение и состав Земли. Геосферы Земли. Тепловой режим Земли. 

1.1. Инженерная геология как наука о рациональном  использовании и охране геологической  среды. Предмет, задачи и история развития науки.

    Один  из основоположников Инженерной геологии и автор первого учебника "Инженерная геология" (1937), акад. Федор Петрович Саваренский (1881-1946) дал следующее определение Инженерной геологии: "Инженерная геология является отраслью геологии, трактующей вопросы приложения геологии к инженерно-строительному делу", или  "Инженерная геология - отрасль геологии, изучающая геологические условия строительства и эксплуатации инженерных сооружений". Инженерно-строительная деятельность  разнообразна. Различают виды строительства: промышленное, гражданское, железнодорожное и автодорожное, горное, гидротехническое и мелиоративное, морское и др. При любых видах капитального строительства обязательно изучают инженерно-геологические условия, которые и являются предметом изучения инженерной геологии.

    Под инженерно-геологическими условиями  понимают комплекс природных факторов, влияющих на строительство: 1) рельеф; 2) геологическое строение (геологический разрез) и свойства грунтов; 3) положение и химический состав грунтовых вод; 4) геологические (в том числе опасные) процессы и явления. Отношение к этим факторам различно в зависимости от вида инженерного сооружения.

    Практическая  задача инженерной геологии - обеспечить  проектирование, строительство и эксплуатацию объекта необходимыми инженерно-геологическими  данными. Специалисты подсчитали, что 80% аварий в России связано с грунтами, а на Северном Кавказе деформации практически всех объектов произошли из-за недооценки свойств грунтов и опасных геологических процессов.

    Инженерная  геология традиционно включает три  части: 1) Грунтоведение (изучает состав и свойства грунтов, а при необходимости и укрепляет их методами технической мелиорации); 2) Инженерная геодинамика (изучает опасные геологические процессы и явления); 3) Региональная инженерная геология (устанавливает закономерности распространения и происхождения грунтов.

    Ближайшими смежными научными дисциплинами инженерной геологии являются:

    - Механика грунтов (рассматривает грунты как механические модели и схемы при воздействии на них различных факторов - давления, температуры, влажности, химического состава и др.; использует законы теоретической и строительной механики для расчета прочности, деформаций, откосов и т.д.);

    - Гидрогеология - наука о подземных водах;

    - Мерзлотоведение - наука о сезонно-мерзлых и вечномерзлых грунтах;

    - Основания и фундаменты.

    Инженерная  геология тесно связана с науками геологического цикла: минералогией и петрографией, динамической геологией, исторической геологией, геоморфологией, геотектоникой, геофизикой, геохимией, палеонтологией, геологией четвертичного периода, также  с химией (особенно с коллоидной и физической) и физикой, у которых заимствует методы.  Собственные методы инженерной геологии разнообразны и обширны: 1) химические и физические методы исследования состава и свойств (электронная микроскопия,  рентгеноструктурный и др.); 2) инженерно-геологическая съемка, включающая моделирование природных процессов; 3) метод актуализма и аналогий.

    Краткий исторический очерк  развития инженерной геологии. С глубокой древности строители, как могли, оценивали грунты и геологические процессы и передавали свой опыт следующим поколениям. Часто строительное искусство ошибалось в оценке грунтов. Великие сооружения античного мира и средних веков - это то, что пощадило время и геологические процессы. Древнеримский историк Корнелий Тацит (55-120 г.г.) писал: "Некто Отилий, вольноотпущенник, решившись выстроить в Фиденах амфитеатр для гладиаторских представлений, с одной стороны не положил фундамента на прочном грунте, а с другой - не скрепил прочными союзами деревянные стропила. Переполненное здание пришло в сотрясение и, обрушившись внутри или рассыпаясь снаружи, стремглав увлекло с собой массу смертных, как смотревших на зрелище, так и стоящих кругом амфитеатра". В 1902 году из-за грунтов неожиданно упала 100-метровая колокольня Собора Святого Марка в Венеции.

    Акад. Пашкин Е.М. в книге: "Инженерная диагностика деформаций памятников архитектуры" (1998) описал аварии многих исторических зданий в прошлом и настоящем. В домонгольский период (до 15 в.) строили в основном на лежнях и мелких фундаментах. Затем перешли на деревянные сваи-коротыши, которые при плотной их забивке обеспечивали уплотнение слабых грунтов. Петропавловская крепость в начале 18 в. была построена на просмоленных дубовых сваях длиной Н=6-8 м и диаметром Д=35-40 см.

    Исаакиевский  Собор построен на 2,6 тыс. деревянных свай. Но это была 3-я попытка его строительства. Предыдущий храм (в нач. 18 в.) не построили из-за подмыва берега р. Невой.

    Первый  Храм Христа Спасителя начали строить  на Воробьевых горах еще в 1817 г. и  прекратили строительство из-за оползней в 1827 году.

    С 30-х гг. ведется осушение центра Москвы. На это отреагировали все здания Московского Кремля, построенные  на деревянных сваях длиной до 12 м и на насыпных грунтах. Сваи при осушении грунтов стали гнить, а органика (щепки и т. д.) - разлагаться. Строительство Дворца съездов с осушением его котлована ускорило деформации. Набатная башня Кремля получила крен до 0,82 м. Основание самого большого здания Кремля - Арсенала (1736) размерами в плане 303х80 м и высотой Н=24 м укрепляли силикатизацией. Немецкой фирме "Бауэр" за укрепление грунтов и фундаментов под гостиницей "Метрополь" заплатили 4 млн. долл. Строительство нового Дворца правосудия на Арбате привело к деформациям соседнего 8-эт. дома и появлению трещин в старом здании генеральной прокуратуры. При строительстве станции метро "Боровицкая" начались осадки зданий Российской государственной библиотеки (до 132 мм).

    Примеры по Ставропольскому  краю. В 19-и веке 25 лет строили Спасский собор в г. Пятигорске, который затрещал в процессе строительства. Ставропольский губернатор издал приказ №766 от 25.02.1858 года "О производстве изследования виновных въ небрежной постройке въ г.Пятигорске Православной Церкви", в котором с виновных потребовал взыскать 5833 рубля и 3/4 копейки. В приказе отмечено "бездействие местной власти за ходом производившихся работ, а также депутатов, присутствие которых требуется по закону".  Для спасения храма из С.-Петербурга в Ставрополь 15 июля 1858 году прибыл академик Симонсон, которому не дали передохнуть и в тот же день направили в Пятигорск. Затем генерал-фельдмаршал князь Барятинский предписал создать следственную комиссию, наказал главу города Найтаки, который "по закону" должен был контролировать строительство, и отправился в Гуниб брать Шамиля.

    В Ставропольском крае все старые и новые заводы в Буденновске и Георгиевске трещат, а завод "Стройинструмент" в Георгиевске и консервный завод в Буденновске развалились. Ошибочные мероприятия по укреплению просадочных грунтов привели к просадке фундаментов завода ЖБИ в Буденновске до 180 см. В 1996 г. в Железноводске необоснованно выселили 1200 жильцов из общежития строителей и 12-этажного жилого дома. Нам удалось спасти 12 - этажный дом, но идет разрушение главного корпуса городской больницы. Идут массовые деформации нового военного городка в Буденновске и жилых домов в Новопавловске.      

    Вначале геологические исследования для  строительства вели сами строители.  В работе "О слоях земных" М.В.Ломоносов (1711-1765) пишет: "...строитель внимает твердости земли в рвах для оснований".  Там же содержится очень современная мысль: "Напрасно многие думают, что все, как мы видим, произошло вместе со всем светом, и поэтому де не надобно исследовать причину. Таковы рассуждения весьма вредны приращению всех наук, следовательно, и натуральному знанию шара земного, хотя оным умникам и легко быть философами, выучившись наизусть три слова: бог так сотворил, и сие дав в ответ вместо всех причин".

    В 1816 году в России появилась оригинальная работа Дмитрия Лачинского "Рассуждение  о устроении и укреплении плотин", в которой впервые рассмотрены свойства глин и их искусственное улучшение. В 1835 году русский инженер путей сообщения М.С.Волков составил "Записку об исследовании грунтов земли, производимом в строительном искусстве", а в 1840 г. написал работу "Об основаниях каменных зданий", где дал продуманную классификацию грунтов как оснований сооружений.

    С середины 19-го века началось развитие железнодорожного строительства, грандиозных гидротехнических сооружений (Суэцкий канал), строительство мощных гидростанций в Швейцарии, Франции, США, наш БАМ и Амурскую ж/д начали строить в 1907-1910 гг. в условиях вечной мерзлоты. В 1910-1916 гг. провели строительство Черноморской ж/д от Туапсе до Сухуми и дальше в Закавказье. Еще раньше соорудили ж/д дорогу Армавир-Ставрополь, которую вскоре разрушили оползни.

    Столкнувшись  с непреодолимыми трудностями и  аварийными ситуациями,  для консультаций стали привлекать геологов и почвоведов. В 1882 году в России был создан Геологический Комитет, который объединил крупнейших геологов, будущих академиков – гордость российской науки (А.П.Карпинский, И.В.Мушкетов, В.А.Обручев, А.П.Павлов). Они оказали большую помощь при исследованиях ж/д трасс, строительстве мостов и тоннелей. Такую же помощь оказали выдающиеся ученые-почвоведы В.В.Докучаев, П.А.Костычев, В.Р.Вильямс, Н.М.Сибирцев.  

    После Октябрьской революции начались великие стройки социализма - каналы Беломоро-Балтийский, Москва-Волга  и др. с плотинами, шлюзами, водохранилищами,  Московский Метрополитен. Стройки консультировал американский проф., основатель современной механики грунтов Карл Терцаги. Он же написал первый учебник «Инженерная геология» (1929-1932). В 1937 г. в Харькове состоялось 1-е Всесоюзное совещание по просадочным грунтам.  С начала 30-х гг. начали выходить методические пособия, инструкции и учебники по инженерной геологии. В 1929 г. была организована первая в мире кафедра инженерной геологии в Московском геолого-разведочном институте, затем в Ленинградском горном институте, МГУ и ЛГУ.

    Большой вклад в развитие инженерной геологии внесли: М.М.Филатов, И.В.Попов, Е.М.Сергеев, Н.Я.Денисов, Н.Н.Маслов, А.К.Ларионов, Н.В.Коломенский, В.И.Осипов, В.Т.Трофимов и мн. др. 

      Сейчас отечественная инженерная  геология представлена головным  институтом ПНИИИС Госстроя, кафедрами вузов МГУ, МГРИ, ГРУ, РГСУ, МГСУ и др., трестами инженерно-строительных изысканий (ТИСИЗы). ПНИИИС Госстроя разрабатывает  СНиПы, ГОСТы и другие нормативы по инженерным изысканиям.  

    В 1979 г. академик Е.М.Сергеев дал новое  определение инженерной геологии как науки о геологической среде, ее рациональном использовании 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 многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогенных (инженерно-геологических) процессов, изменяющих инженерно-геологические условия определенной территории». 

    В.И.Вернадский  в 1944 г. ввел понятие о "ноосфере" (сфере разума), где человек становится крупнейшей геологической силой. Справедливость этих слов становится все более очевидной  по мере развития научно-технического  прогресса.

    Градостроительный Кодекс РФ (2005) законодательно требует от заказчиков не только надежности инженерных сооружений, но и охраны природной среды.   

1.2. Происхождение, строение и состав Земли. Геосферы Земли. Тепловой режим Земли.

  Строение и состав Земли. Геосферы Земли. Земля - третья планета Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Кроме них в Солнечной системе свыше 1000 малых планет и около 100 периодических комет.

  Солнце - газовый шар диаметром Д=1,4 млн. км, что в 109 раз больше диаметра Земли. От Земли до Солнца 150 млн. км. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 тыс. км/сек.

  Земля имеет шарообразную форму, точнее эллипсоид вращения (геоид), средний радиус которого R_средн=6371 км. Площадь Земли - 510 млн. км², объем - 1, 083х10¹² км³. Длина окружности - 40 тыс. км. Средняя плотность вещества Земли r=5,5 т/м³,  для поверхностных пород r=2,7 т/м³, внутри планеты r=11- 12 т/м³.