Инженерная геодинамика

1.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Инженерная геодинамика – самостоятельное научное направление
инженерной геологии, где изучаются и оцениваются геологические
процессы и явления (ГПиЯ), как естественные (природные), так и
возникающие в связи со строительством сооружений и хозяйственным
освоением территорий.
Инженерная геодинамика изучает и разрабатывает:
Закономерности распространения экзогенных и эндогенных процессов
и явлений, происходящих на поверхности земли и в верхних
горизонтах земной коры;
Механизмы возникновения и развития геологических процессов и
явлений;
Динамику и кинематику различных геологических процессов и
явлений, формы их проявления и обусловленность (детерминизм)
разнообразными природными и искусственными факторами;
Качественные и количественные методы оценки воздействия ГПиЯ на
устойчивость территорий и сооружений;
Методы прогноза ГПиЯ по месту проявления, времени и силе.
Методику инженерно-геологических исследований для обоснования
проектов защиты и подготовки территорий для хозяйственного
освоения.

2.

Процессы
Явления
Действие внутренних (эндогенных) сил
планеты
- Вулканизм, землетрясения и сейсмические явления
Деятельность поверхностных вод
(морей, озёр, водохранилищ, рек и
временных водотоков)
Паводки на горных реках
- Подмыв и разрушение берегов морей, озёр и водохранилищ
- Подмыв и разрушение речных берегов
- Размыв склонов – овражно-балочные явления
- Сели
Совокупная деятельность
поверхностных и подземных вод
- Переувлажнение и заболачивание территорий
- Просадочные явления
- Карст
Деятельность подземных вод
- Плывуны
- Суффозионные явления
Действие гравитационных сил
- Оползни, - Обвалы
Деятельность ветра
- Развевание и навевание
Промерзание и оттаивание горных
пород
- Термокарст, - Морозное пучение, - Наледи
Проявление внутренних сил в горных
породах
- Набухание, - Усадка,- Разуплотнение
Инженерная деятельность человека
- Разрушение и уничтожение территорий при строительстве,
разработке месторождений полезных ископаемых,
устройстве свалок и хранилищ опасных отходов
- Оседание поверхности земли при значительных откачках
подземных вод, нефти и газа
- Затопление и подтопление территорий
- Вторичное засоление пород при орошении территорий

3.

Эндогенные процессы и явления
Сейсмические явления
Природные землетрясения
Наведённая техногенная сейсмичность
Причины:
• Строительство и заполнение крупных
водохранилищ
•Добыча полезных ископаемых
•Подземные ядерные взрывы
5

4.

Сила землетрясения (степень интенсивности) оценивается по величине максимального
4 А
сейсмического ускорения частиц породы в мм/с2:
Т2
где А – амплитуда колебания частиц породы, мм;
Т – период колебаний, с (величины А и Т снимаются с сейсмограммы).
коэффициент сейсмичности, используется для обобщения результатов сейсмических
наблюдений и регионального сейсмического районирования:
Amax
М lg
Aэт
Кс
max
g
где Amax – максимальная амплитуда, определяемая по сейсмограмме;
Аэт. – эталонная амплитуда при слабом землетрясении, принятом за
эталонное. Магнитуда землетрясений изменяется от 0 при очень слабых
толчках до 8,9 при очень сильных, катастрофических. Энергия землетрясений
измеряется в эргах и джоулях (1 эрг = 1дин/см; 1 дж = 107 эргов).

5.

Балл по
шкале
MKS
Магнитуда по
Рихтеру
αmax, мм/с2
Сравнительная категория
землетрясения
Последствия
1
1
<2,5
Незаметное
Регистрируется только сейсмографами.
2
2
2,6…5
Очень слабое
Ощущается отдельными людьми на верхних этажах.
3
3
5,1…10
Слабое
Ощущается некоторыми людьми внутри помещения.
4
4
11…25
Умеренное
Отмечается многими людьми, открываются двери, дрожит
мебель, скрип полов и стен
5
4,5
26…50
Довольно сильное
Раскачиваются висячие предметы, дребезжат стёкла, спящие
просыпаются.
6
5
51…100
Сильное
7
5,5
101…250
Очень сильное
Повреждения зданий. Люди с трудом удерживаются на ногах.
Звонят большие колокола.
Разрушительное
Сильные повреждения зданий. Испуг и паника. Сдвигается и
иногда опрокидывается тяжёлая мебель. Кое-где
обламываются ветви деревьев. Повреждается часть
висячих ламп.
8
6
251…500
Лёгкие повреждения в зданиях, трещины в штукатурке,
домашние животные выбегают из укрытий, звон малых
колоколов на колокольнях.
Всеобщее повреждение зданий. Всеобщая паника.
Искривление рельсов. Обвалы и оползни. Трещины в
асфальтовом покрытии дорог. Животные мечутся и
кричат.
9
7
501…1000
Опустошительное
10
7,5
1001…2500
Уничтожающее
Всеобщее разрушение зданий, мостов, трещины в породах
шириной до 1 метра. Многочисленные завалы.
11
8
2501…5000
Катастрофическое
Изгиб рельсов в складки, разрывы земли. Вертикальные
смещения и сбросы.
12
8,5
>5000
Сильная катастрофа
Полные разрушения. Сильные изменения рельефа. В горах

6.

Горные породы
Vp×ρ
Граниты
16.2
Известняки и песчаники
12,6…5
Полускальные грунты
7,2…2,9
Крупнообломочные грунты
4,2… 1,4
Пески
3,1…1
Глинистые грунты
3…1
Насыпные рыхлые
0,9…0,26
Строительство в сейсмических районах требует,
прежде всего, уточнения сейсмической
балльности конкретных строительных
площадок. Для детализации сейсмических условий
производится сейсмическое микрорайонирование.
Для этой цели рассчитывается так называемая
средняя сейсмическая жёсткость толщи грунтов до
глубины h, равной 10 метрам. Сейсмическая
жёсткость характеризуется безразмерным
произведением скорости распространения
упругих сейсмических волн на плотность пород.
Например, для продольных сейсмических волн
сейсмическая жёсткость численно будет равна
произведению Vp×ρ.
Помимо волновых характеристик при сейсмическом микрорайонировании учитывается глубина
залегания подземных вод и резонансные явления в исследуемых породах. Таким образом, полное
приращение сейсмической интенсивности на основе детального изучения инженерногеологических условий определяется по уравнению:
I 0 IV I УГВ I резонанса

7.

Сейсмическое микрорайонирование
9

8.

Специальные системы активной сейсмозащиты для повышения
устойчивости зданий и сооружений (1)
Позволяют снизить сейсмическую реакцию сооружений в2-3 раза и вести
проектирование с расчётной сейсмичностью на 1 балл ниже
10

9.

Деятельность поверхностных вод
Подмыв и разрушение берегов морей, озёр и водохранилищ

10.

Классификация горных пород в зависимости от их устойчивости к абразии
Класс
Тип пород
Особенности абразионного процесса
I
Кристаллические, некоторые особо прочные
метаморфические и осадочные породы
Преимущественно механическая, протекает
крайне медленно
II
Большинство типов метаморфических и сцементированных пород, а также эффузивные породы
Протекает медленно
Слабосцементированные осадочные породы
Сопротивляются абразии, но при размыве тонкий
обломочный материал выносится из
береговой зоны
Слабосцементированные осадочные образования
резко неоднородного состава
В береговой зоне остаются остаточные накопления
из отмытых грубых включений (валунноглыбовые и галечные отмостки)
Рыхлые породы песчаного, песчано-глинистого,
песчано-галечного состава
Наиболее интенсивно подвергаются разрушению,
дают начало большим массам наносов
III
IV
V
VI
Хорошо
раствор
имые
породы
VII
Криогенные
породы
Сцементированные однородные,
химически чистые породы каменная соль, гипс, чистые
известняки и мраморы
Подвержены химической абразии
Глины и суглинки, сильно
засолённые, содержащие
значительное количество
хорошо растворимых
компонентов
Лёд
Мёрзлые осадочные породы
Подвержены термической и химической абразии.

11.

Влияние условий залегания пород на интенсивность абразии
а – горизонтальное залегание пластов;
б, в, - падение пластов соответственно в стороны моря и берега.

12.

Строение речной долины
Элементы террас: А – поверхность, Б –
бровка, В – склон (уступ).
I–
h – высота; α – угол естественного
откоса коренных пород; β – угол
естественного откоса бечевника.
II – терраса эрозионная (цокольная).
ГВВ – уровень высоких вод.
ГВ – меженный горизонт
I, II, III – надпойменные террасы.
террасы аккумулятивные:
а – вложенная, б – прислонённая.
III – терраса скульптурная.
IV – коренной склон.

13.

Схема распространения мёрзлых пород на Земле

14.

Классификация грунтов по пучинистости приведена в таблице
Разновидность
грунта
Относительная
деформация
пучения,
Характеристика состава и состояния грунта
εfn
Менее 0,01
Глинистые твёрдой консистенции IL<0
Песчаные при показателе водонасыщения
Sr<0,6
Крупнообломочные с заполнителем менее 10%
0,01…0,035
Глинистые полутвёрдой консистенции при
0<IL<0,25
Пески мелкие при 0,6<Sr<0,8
Крупнообломочные с песчаным пылеватым
заполнителем от 10 до 30%
Средне пучинистый
0,035…0,07
Глинистые при 0,25<IL<0,5
Пески пылеватые при 0,8<Sr<0,95
Крупнообломочные с песком пылеватым более
30%
Сильно пучинистый
Более 0,07
Глинистые при IL>0,5
Пески пылеватые и мелкие при Sr>0,95
Практически
непучинистый
Слабо пучинистый

15.

Полигональный рельеф и бугор пучения (булгуннях)

16.

Меры борьбы с наледями
Пассивные
Активные
8

17.

Вид мерзлотного пояса
1 – полотно дороги; 2 – путевая канава; 3 – деятельный слой;
4 – талик с надмерзлотными водами; 5- верхняя граница мерзлоты;
6 – место формирования наледи; 7 – мерзлотный пояс;
8 – место принудительного формирования наледи.

18.

Просадочные явления в лёссовых грунтах
1— лёссы и лёссовые породы большой мощности (более 10м), проявляющие просадку под собственным весом; 2 —
лёссовые породы и лёссы мощные (более 5 м), проявляющие значительные просадочные деформации при
дополнительных нагрузках; 3 — лёссовые породы средней мощности (5-10м), проявляющие незначительные
просадочные деформации при дополнительных нагрузках; 4 — лёссовые породы прерывистого распространения (35м), непросадочные; 5 — лёссовые породы прерывистого и островного распространения изменчивой мощности,
неоднородные по просадочности; 6 — лессовидные и покровные глинистые породы островного и прерывистого
распространения, маломощные, непросадочные; 7 — мёрзлые покровные пылеватые глинистые породы,
проявляющие термопросадки в результате оттаивания

19.

Гравитационные склоновые процессы
Р – масса блока породы, который может сместиться.
Р1 – сдвигающая составляющая силы тяжести.
Р2 – сила, стремящаяся удержать массы горных пород на склоне
Если Р1 > Р2 – должно происходить смещение блока пород.
Р1 = Р2 – блок находится в предельном равновесии.
Р1 < Р2 – блок (или откос в целом) устойчив.

20.

Устойчивость склона характеризуется
коэффициентом устойчивости:
Сср L
К уст
( L )
i
Сср
— среднее сопротивление пород сдвигу по поверхности скольжения;
L — длина потенциальной поверхности скольжения;
( L )
i
— сумма сдвигающих усилий на отдельных отрезках этой
поверхности.
Если (коэффициент устойчивости) меньше 1 – нарушается равновесие сил и может
произойти гравитационное смещение пород на склоне: образуются оползни,
обвалы, осыпи.

21.

22.

Гравитационные явления
Тип
Вид движения масс горных пород
Вид
Оползни
Структурные
асеквентные
консеквентные
инсеквентные
Пластические (всегда
консеквентные)
собственно оползни
оползни-потоки
сплывы
солифлюкционные подвижки
Структурно-пластические
Скольжение блока или блоков горных пород по поверхности
скольжения без существенного нарушения их внутреннего
строения:
в однородных породах, поверхность скольжения
круглоцилиндрическая;
в неоднородных породах, поверхность скольжения плоская,
плоскоступенчатая,
волнистая, наклонная;
в неоднородных породах, поверхность скольжения врезается в
горизонтальные или наклонные слои, форма её плоская, ломаная
неровная или вогнутая круглоцилиндрическая.
Течение масс горных пород подобно вязкой жидкости по наклонной
плоскости скольжения:
по поверхности скольжения, располагающейся ниже поверхностных
слоёв;
по ложбинам стока;
сравнительно быстрое и катастрофическое быстрое течение
приповерхностных горизонтов пород;
медленное течение самых поверхностных горизонтов горных пород
и почвенно-растительного слоя.
Скольжение блоков или блоков пород, которые при движении
разрушаются, дробятся и превращаются в массу, ползущую подобно
вязкой жидкости по поверхности скольжения
Оползниобвалы
Переходные разновидности
оползней в обвалы
Скольжение блоков или масс горных пород, которые при
обрывистом ступенчатом рельефе склона затем обваливаются вниз
по склону
Обвалы
Собственно обвалы
Обвал масс горных пород из обнажений, расположенных на горных
склонах, сопровождающийся скатыванием, опрокидыванием и
дроблением

23.

Вид возможных поверхностей скольжения и названия оползней
а – асеквентные; б – консеквентные; в – инсеквентные; 1–
поверхность скольжения.

24.

Поверхности скольжения, унаследовавшие ослабленные элементы
геологического строения склона (откоса): 1-4 – консеквентные оползни,
5 – асеквенто - консеквентный оползень, 6 – инсеквентно - консеквентный
оползень.

25.

Причина возникновения оползня
Мероприятие
Виды мероприятий
Изменение напряжённого
состояния глинистых грунтов
Выполаживание склонов и откосов
Срезка земляных масс в верхней
части откоса и укладка их у
подножия для пригрузки в
месте ожидаемого выпирания
Подземные воды
Перехват подземных вод выше
оползня
Горизонтальный дренаж,
вертикальный дренаж
Поверхностные воды
Защита берегов от абразии
Волноотбойные стены, волноломы
подводные и надводные
Защита берегов от боковой эрозии
Мощение откоса, каменная
наброска
Атмосферные осадки
Регулирование поверхностного
стока
Микропланировка, лотки, канавы,
быстротоки
Выветривание
Защита грунтов поверхности склона
Одерновка, посев трав,
древонасаждения
Совокупность ряда причин
Механическое сопротивление
движению
Подпорные стенки, свайные ряды,
шпонки, замена грунтов
поверхности скольжения
Изменение физико-технических
свойств грунтов
Подсушка, обжиг глинистых
грунтов; электрохимическое
закрепление грунтов
Специальный режим в оползневой
зоне
Сохранение склонов в устойчивом
состоянии, ограничение в
строительных разработках
Некоторые виды человеческой
деятельности

26.

27.

К = / - коэффициент подвижности осыпи
Коэффициент подвижности Характеристика состояния осыпи
1
0,7…1
0,5…0,7
< 0.7
Подвижная.
Активное
поступление
свежего
материала.
Скорость
движения осыпи составляет метры в
год.
Достаточно подвижная
Слабо подвижная
Неподвижная. Поступление свежего
материала отсутствует

28.

Противооползневые и противообвальные мероприятия
1. Мероприятия, предупреждающие нарушения устойчивости равновесия
естественных склонов и откосов.
Оценка динамики изменения степени устойчивости склона;
Установление основных факторов, воздействие которых существенно влияет на
степень устойчивости;
Лесомелиорация;
Регулирование поверхностного стока;
Профилактические мероприятия.
2. Мероприятия, ограничивающие развитие гравитационных процессов и
обеспечивающие безопасность жизнедеятельности, в том числе
экологическую.
Мероприятия по улучшению свойств пород;
Мероприятия по уменьшению сдвигающих усилий;
Подпорные сооружения;
Защитные сооружения от абразионной и эрозионной деятельности поверхностных вод;
Перекрытия и покрытия от обвалов и камнепадов;
3. Мероприятия по ликвидации последствий гравитационных явлений;
Разборка оползневого тела;
Разборка сооружений защиты;
Восстановление территорий и принятие решений о мерах её защиты и дальнейшем
освоении.

29. Процессы, обусловленные подземными водами

• Просадочные явления
•Суффозия
•Карст
•Плывуны
• Заболачивание

30.

Суффозия
Внутрипластовая суффозия
Условия развития:
Кн > 20, при этом градиент потока I > 0,5.
Ориентировочно можно судить:
при Кн < 10, песчаные грунты - несуффозионные,
Кн > 20 – суффозионными;
Кн = 10-20, они могут быть суффозионными и несуффозионными.
Градиент фильтрационного
потока
График для оценки развития суффозии
Определение начальной скорости потока (скорость размыва) Vраз
(м/сек), при которой начинается суффозия:
Vраз = √ Кф /15. Где Кф- коэффициент фильтрации породы м/сек.
Наиболее
достоверно
возможность
суффозионного
выноса
устанавливается по графику: кривая зависимости в координатах I – Кн,
разграничивающую опасную область (над кривой), где суффозия возможна, от
области безопасной (под кривой), где она происходить не будет
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
Коэффициент неоднородности грунта
Контактная суффозия
В случае, когда суффозия происходит на контакте мелкозернистого
и крупнозернистого однородных песков,
определение скорости
фильтрации, отвечающей началу выноса частиц (при условии движения
воды от мелкозернистого песка к крупнозернистому), оценивают по
формуле:
Vк = 0.26d2 [1+ 1000 (d60/ D60)2 ]
где Vк - критическая скорость контактной суффозии (скорость
выноса частиц из размывающегося более мелкозернистого песка);
d60/ D60 - контролирующие диаметры частиц, мм, более
мелкого и более крупного песка.

31.

Плывунность грунтов

32.

КАРСТ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ КАРТА С ГЛУБИНОЙ
I
II
III
IV

33.

Заболачивание, строительная оценка болот.
1.Верховое болото
2.Низинное болот, сформированное на
пониженных участках рельефа при
постепенном накоплении перегнивших
Растительных остатков
3. Низинное болото, образованное за
счёт развития у берегов и на
мелководьях болотной растительности
4. Сплавинные болота

34. Организация и методика инженерно-геологических исследований

35. Система инженерных изысканий в строительстве

Инженерные изыскания в строительстве включают в
себя:
• Инженерно-геодезические изыскания;
• Инженерно-гидрометеорологические;
• Инженерно-гидрологические;
• Инженерно-геологические;
• Инженерно-экологические
• Геотехнические изыскания (?)
2

36. Вспомогательные работы

• Кроме основных видов в составе инженерных изысканий выполняется
работы вспомогательного характера (геотехнический контроль,
обследование фундаментов и грунтов основания, обоснование
мероприятий по инженерной защите территории, оценка
геологических рисков, авторский контроль за использованием
изыскательской продукции и др.).
• Выполняются по специальным нормативам и рекомендациям научных
учреждений.
• Кроме инженерных изысканий при решении задач
природообустройства могут проводиться изыскания
«нестроительного» направления, связанные с изучением природных
условий – археологические, агротехнические, почвенные,
геоботанические, лесотехнические и т. д.
3

37. Основные направления взаимодействия инженера-строителя и инженер - геолога

Этап
строительства
1
Виды работ
Обоснование
инвестиций
2
Техническое задание на
инженерногеологические
изыскания
3
Инженерногеологические
изыскания
4
5
Проектирование
Строительство
Исполнитель
Организации
(Инвестор) Заказчик
Заказчик
Проектная
Инженер-строитель
Изыскательская
Инженер-геолог
Проектная
Инженер-строитель при
участии инженерагеолога
Строительная
Инженер-строитель при
участии инженерагеолога
4

38. Стадии инженерно-геологических изысканий

1.Рекогносцировочное обследование
2. Инженерно-геологические изыскания
для разработки предпроектной документации
3. Инженерно-геологические изыскания
для разработки проекта
4. Инженерно-геологические изыскания
для разработки рабочей документации
5

39. Проблема согласований и лицензирования.

• Инженерным изысканиям предшествует процедура получения
различных согласований и разрешений на их производство, в
том числе разрешения местных исполнительных органов власти
о предварительном выборе места размещения объекта или
предоставления земельного участка, договора об
использовании для изыскательских работ, заключённого с
застройщиком (собственником, землевладельцем или
арендатором), регистрации (разрешения) производства
инженерных изысканий со стороны Государственной
Архитектурно-технической инспекции (ГАТИ или ГАСН).
• Независимо от вида изысканий первым этапом работы должно
быть тщательное изучение и обобщение имеющихся архивных и
литературных данных об природных условиях района, в том
числе материалов ранее выполненных изысканий.
6

40. Стадии инженерно-геологических изысканий

1.
Объект
изысканий
Территория
намеченных
вариантов расположения
объекта
строительства
Рекогносцировочное обследование
Основные
задачи
изысканий
Основные
задачи
проектирования
Сравнительная оценка
инженерно-геологических
условий по намеченным
вариантам, выявление
изменений рельефа,
гидрогеологических
условий, техногенных
воздействий
Выбор района (площадки,
трассы) строительства
7

41. Стадии инженерно-геологических изысканий

2. Инженерно-геологические изыскания для разработки предпроектной документации
Объект
изысканий
Основные
задачи
изысканий
Территория (район,
площадка, трасса)
проектируемого
строительства
Изучение и составление
прогноза изменения
инженерногеологических условий в
период строительства и
эксплуатации
предприятий, зданий и
сооружений
Основные
задачи
проектирования
Принятие принципиальных
решений по размещению
объектов строительства,
генеральных схем
инженерной защиты,
выбору направления трасс
линейных сооружений,
ситуационных планов с
размещением
объектов,
генеральных планов
8
объектов

42. Стадии инженерно-геологических изысканий

3. Инженерно-геологические изыскания для разработки проекта
Объект
изысканий
Основные
задачи
изысканий
Основные
задачи
проектирования
Выбранная
площадка (участок,
трасса)
проектируемого
строительства
Комплексное изучение
природных условий и
составление прогноза
изменения инженерногеологических условий в
период строительства и
эксплуатации с
детальностью, достаточной
для разработки проектных
решений
Обоснование компоновки зданий и
сооружений, конструктивных и объемнопланировочных решений, составление
генерального плана проектируемого
объекта, разработка мероприятий по
инженерной защите и охране
геологической среды и созданию
безопасных условий жизни населения,
проекта организации строительства
9

43. Стадии инженерно-геологических изысканий

4. Инженерно-геологические изыскания для разработки рабочей
документации
Объект
изысканий
Основные
задачи
изысканий
Основные
задачи
проектирования
Конкретные участки
размещения зданий и
сооружений в соответствии с
проектом
Детализация и уточнение
инженерно-геологических
условий конкретных
участков строительства
проектируемых зданий и
сооружений, а также прогноз
их изменений в период
строительства и
эксплуатации с детальностью
необходимой и достаточной
для обоснования
окончательных проектных
решений
Разработка окончательных
объёмно-планировочных
решений, расчёты оснований,
фундаментов и конструкций
проектируемых зданий и
сооружений, детализация
проектных решений по
инженерной защите и охране
окружающей среды
10