Значение инженерной геологии для проектирования и строительства железных дорог, а также для их эксплуатации

Вопрос № 1. 

Объясните значение инженерной геологии для проектирования и строительства железных дорог, а также для их эксплуатации.  

Ответ: 

Геология (греч. "гео" - Земля, "логос" - учение) - наука о Земле, ее составе, строении и развитии, о процессах, протекающих  на ней, в ее воздушной, водной и каменной оболочках. 

Истории инженерной геологии связан с привлечением геологов к изысканиям под строительство (с начала XIX по 20-е годы XX в.). В  это время геологи начали привлекаться к решению вопросов в связи  со строительством железных дорог, каналов  и других крупных сооружений.  

При изысканиях под железные дороги большое внимание уделялось геологическому строению полосы трассы и геологическим процессам  в ее пределах. 

Сложные условия  для дорожного строительства  создаются при наличии: заболоченных территорий и торфяников, глубоко  рассеченных эрозией склонов  крутизной >10, значительного развития современных геологических процессов, тектонически нарушенного залегания  трещиноватых пород с ослабленной  их прочностью, коры выветривания, легкорастворимых пород и распространения островной  мерзлоты. 

Инженерно-геологические  изыскания проводят для обоснования  проектов: трассы, земляного полотна, искусственных сооружений (включая  тоннели и мостовые переходы), устройства электрификации и связи, станционных  комплексов, промышленных предприятий  и жилых поселков дорожников, карьерного хозяйства и организации строительства  на всех стадиях проектирования новой  дороги или реконструкции дорожных сооружений. 

Вопрос № 2. 

Опишите минерал  ортоклаз. При описании минералов  следует назвать: класс, химический состав, цвет, цвет черты, блеск, спайность, излом, твёрдость, реакцию с HCl (соляной  кислотой) . И породы опока, мергель, кварцит. В описаниях пород указать  происхождение, минералогический состав, структуру, текстуру, цвет, реакцию  с HCl, практическое применение. 

Ответ: 

ОРТОКЛАЗ 

Минерал - это  встречающийся в природе материал, сформировавшийся посредством геологических  процессов, который имеет характерный  химический состав, высоко организованное строение атома и определенные физические свойства. 

Ортоклаз KAlSi3O8 Твердость : физическая твердость минерала обычно измеряется согласно Шкале твердости  по Моосу. Ортоклаз на 6 месте.Ортоклаз (от греч. orthos - прямой и klasis - ломка, раскалывание), породообразующий минерал из группы полевых шпатов. Минералы этой группы обладают ясно выраженной спайностью. Наиболее прочный из них — ортоклаз  Другие названия минерала и его разновидностей: ледяной шпат, рыбий глаз, гиалофан, аглаурит, санидин, аглаирит.  Ортоклаз является одной из разновидностей нолевого шпата.Химический состав. K[AlSi3O8]. В качестве примес и содержит Na (до 8% Na2O), реже Ва и в небольших количествах Fe, Са, Rb, Cs и другие.Цвет светло-розовый, буровато-желтый, иногда красный; блеск стеклянный. Спайность  соответствует моноклинической  системе, так что две из трех плоскостей, по которым раскалываются его  зерна, образуют между собой прямой угол. Прозрачная, стекловидная разновидность  ортоклаза, встречаемая в лавах, наз. санидин.Отртоглаз используется в качестве сырья в стекольной и керамической промышленности. В  соляной кислоте полевые шпаты  не разлагаются. 

МЕРГЕЛЬ состоит  из глины и известняка (примерно 50/50%). Как карбонатсодержащая порода, реагирует с кислотой, несколько  хуже глин размокает в воде. Хемогенная порода Цвет: светло-серый, серый, тёмно-серый, бурый, чёрный (определяется цветом глинистого вещества). Структура: скрытокристаллическая, тонкозернистая. Текстура: однородная, слоистая. Минералогический состав: состоит  из кальцита до 50 %, иногда доломита и  глинистых минералов (реагирует  с соляной кислотой в куске). Отличительные  признаки: издает запах глины при  увлажнении дыханием; прилипает к  языку; иногда в образцах видны остатки  флоры и фауны, обломки горных пород; наличие окислов и гидроокислов железа обнаруживается по жёлтой, коричневой, бурой окраске; грязно-бурый налёт  в месте реакции с соляной  кислотой – отличие от известняков, мела; стекло не царапает, реагирует  с соляной кислотой – отличие  от опок, аргиллитов, алевролитов. Происхождение: образуется при выпадении в осадок минералов кальцита и глинистых  частиц или смеси глинистых частиц с продуктами истирания раковин  в морях и озёрах. Применение: мергели являются ценным сырьем для  получения цемента; при применении мергеля как материала для  насыпей автомобильных дорог  и подсыпок возникает необходимость  в его экспериментальной проверке на пригодность, так как он легко  выветривается, растрескивается, разрыхляется и распадается на угловатую щебенку  и дресву (оправдывает свое старое название – рухляк); при использовании  в качестве основания и как  среды при строительстве инженерных сооружений очень опасен, так как  растворяется подземными водами с образованием каверн, пустот и пещер (карстообразование). 

ОПОКА 

Название польское, так называют пористые кремнистые горные породы; группа – полускальные; тип  по вещественному составу – кремнистые. Цвет: серовато-белый, жёлтоватый или  жёлто-коричневый, до черного. Структура: скрытокристаллическая, тонкозернистая Текстура: однородная. Минералогический состав: состоит из минерала опала, сцементированного кремнезёмом (царапает стекло), в качестве примесей возможно присутствие глинистых минералов, кварца, остатков микроорганизмов. Отличительные  признаки: лёгкая, при ударе колется  на остроугольные обломки с раковистым изломом, прилипает к языку; царапает стекло, не реагирует с соляной  кислотой – отличие от известняков, мергелей, доломитов; плотная легкая горная порода, почти не пачкает  руки – отличие от трепелов, диатомитов; относительно лёгкая, часто более  светлая – отличие от аргиллитов, алевролитов; при трении обломков образца  горной породы друг о друга зерна  не выкрашиваются – отличие от песчаников. Происхождение: образуется в морских бассейнах за счет уплотнения и цементации диатомитов и трепелов.

 Применение: в строительстве иногда используется  как строительный камень. 

КВАРЦИТ – название от минерала кварц; тип по вещественному  составу – силикатные. Цвет: разный. Структура: от мелко - тонкозернистой до скрытокристаллической. Текстура: однородная, иногда полосчатая, реже узорчатая. Минералогический состав: состоит в основном из кварца (царапает стекло с характерным треском); в качестве примесей могут быть слюды, кристаллы пирита, пироксена, граната; при значительном содержании минералов  магнетита, гематита выделяют кварцит  ожелезненый (джеспилит).Отличительные  признаки: очень прочный, твердый (царапает стекло с характерным треском); отсутствие реакции с соляной кислотой при  высокой твердости – отличие  от кристаллических мраморов, некристаллических  известняков и доломитов; при  трении между собой обломков кварцита зерна кварца не выкрашиваются –  отличие от кварцевых песчаников; гладкая поверхность при отсутствии раковистого излома – отличие  от роговиков. Происхождение: образуется из кварцевых песчаников при действии высоких напряжений, повышенной температуры  и горячих растворов. Применение: ценный строительный материал (твердый, очень прочный, стойкий к выветриванию); используется в гражданском строительстве  как строительный, облицовочный, цокольный  камень; в дорожном строительстве  используется как щебень. 

Вопрос № 3. 

Назовите основные физико – механические свойства горных пород, знание которых необходимо для  проектирования и строительства. Опишите  условия образования и строительные свойства озёрных отложений. 

Ответ: 

Основные физико-механические свойства горных пород 

Показатели физических и механических свойств скальных и нескальных грунтов между собой  довольно значительно разнятся, особенно физические. Характеристики физических свойств выражают физическое состояние  грунтов (плотность, влажность и  др.) и позволяют их классифицировать по типу, виду и разновидностям. Под  механическими подразумевают такие  свойства, которые появляются в грунтах  под воздействием внешних усилий (давлении, удара.). 

Для решения  задач проектирования, строительства  зданий и сооружений все физико-механические характеристики грунтовых оснований  разделяют на две группы: 

1) показатели  физико-механических свойств, которые  используют непосредственно в  расчетах оснований; 

2) вспомогательные  показатели, с помощью которых  осуществляют классификацию грунтов,  прогнозируются механические характеристики  первой группы, выделяют инженерно-геологические  элементы в толще грунтов 

Характеристики  физико-механических свойств используемых в расчетах оснований 

Прочность грунта оценивается максимальной нагрузкой, приложенной к нему в момент разрушения (потери сплошности). Эта характеристика называется пределом прочности Rc измеряется в МПа, или временным сопротивлением сжатию.  

На прочность  грунтов влияют: минеральный состав, характер структурных связей, трещиноватость, степень выветрелости, степень размягчаемости в воде. Для нескальных грунтов  другой важной характеристикой прочности  является  сопротивление сдвигу. Определение этого показателя необходимо для расчета устойчивости оснований, а так же для оценки устойчивости грунтов в откосах строительных котлованов, расчета давления грунта на подпорные стены и т. д. Сопротивление  сдвигу оценивается силами внутреннего  сдвига φ измеряется в градусах, сцепления C, кПа. Под первыми понимают силы сопротивления, которые возникают  между соприкасающимися друг с другом частями грунта, а под вторым –  сопротивление структурных связей грунта всякому перемещению слагающих  частиц. 

Для практических расчетов по деформациям и несущей  способности грунтов применяются  показатели удельного сопротивление C, кПа, φ, град. Сдвиговые характеристики определяют полевыми работами (срез целиком  грунта, вращательный срез, зондирование) и лабораторными исследованиями в приборе плоского среза (стабилометре) 

Деформационные  свойства характеризуют поведение  грунтов под нагрузками, не превышающими критические и не приводящие к  разрушению. Деформируемость грунтов  зависит как от сопротивляемости и податливости структурных связей, пористости, так и от способности  деформироваться слагающих их минералов.  

Для проведения расчетов по деформациям грунтов  используют модуль общей деформации E, измеряется в МПа. Для его определения  проводят штамповые и прессиометрические полевые работы, а так лабораторные исследования компрессионные и стабилометрические испытания грунтов. 

При определении  ориентировочных размеров подошвы  слоя по таблицам СНиП 2.02.01-83 находят  значение расчетного сопротивления  грунтов  R0 (кПа) 

Для расчета  стабилизации осадок зданий и сооружений определяющим показателем будет  коэффициент фильтрации kф. Определяется в лабораториях, по таблицам, по опытным  откачкам воды для водонасыщенных и  наливы для сухих грунтов. 

В расчетах по деформациям  и по несущей способности грунтов  используется плотность грунта p (отношение  массы образца к его объему).  

Вспомогательные характеристики, отражающие физические свойства дисперсных грунтов 

Важными расчетными характеристиками являются коэффициент  пористости  е, степень влажности Sr и показатель текучести JL. Они характеризуют  состояние грунтов. По наименованию грунтов и их коэффициенту пористости определяют плотность сложения песчаных грунтов. Показатель текучести характеризует  подвижность глинистых частиц при  механических воздействиях на грунт. JL отражает степень заполнения пор  грунтовой водой 

В лабораторных условиях для определения гранулометрического  состава исследуют зерновой и  микроагрегатный состав (по ГОСТ 12536-84), природную влажность W, влажность  на границе раскатывания (пластичности) для глинистых грунтов Wp, влажность  на границе текучести только для  пылеватоглинистых грунтов WL (по ГОСТ 5180-84). 

Кроме указанных  характеристик на свойства грунтов  во многих случаях существенное влияние  оказывают минеральный и химический составы, структуры и текстуры, для  скальных грунтов – трещиноватость, степень выветрелости, для дисперсных – содержание водорастворимых солей, присутствие органического вещества.