Навчальний посібник Київ 2010 (075. 8) Рецензент и: канд геол мін наук, доц. Корнєєнко С. В

Київ – 2010

УДК 624.131.631.43(075.8)

Р е ц е н з е н т и:

канд. геол.-мін. наук, доц. Корнєєнко С.В.,

канд. геол.-мін. наук, доц. Кошляков О.Є.

В навчальному посібнику подається опис тієї геологічної обстановки, котра вивчається й піддається оцінці під час інженерно-геологічних досліджень. Розглядаються інженерно-геологічні завдання, що розв’язуються за допомогою геоморфологічних, тектонічних та інших методів досліджень, а також питання встановлення за цими даними раціонального об’єму і характеру вишукувальних робіт. Далі розглядаються фізико-геологічні й інженерно-геологічні процеси, котрі впливають на оцінку умов будівництва. Два останні розділи посібника містять поняття про стадійність проектування, склад інженерно-геологічних досліджень та методи інженерно-геологічної оцінки масивів гірських порід.

Для студентів геологорозвідувальних спеціальностей вищих навчальних закладів.

УДК 624.131.631.43(075.8)

©Шостак А.В., 2010

зміст

В підручнику розглядається коло завдань, питань і проблем, що становлять зміст головної частини курсу інженерної геології. В ньому наводяться основні положення про геологічні умови будівництва, які визначаються на підставі вивченні рельєфу території будівництва, її геологічної будови, гідрогеологічних умов, поширення тих чи інших типів гірських порід, структурно-тектонічної обстановкиі розвитку геологічних процесів і явищ. В основу посібника покладено курс лекцій, який автор читає на геологічному факультеті Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Посібник відповідає програмі курсу, котра була свого часу скорочена у зв’язку з переходом на нові освітні стандарти. Тому посібник розрахований не лише на студентів спеціальності «гідрогеологія», але й на студентів ряду інших геологічних спеціальностей. Автор намагався відібрати з циклу інженерно-геологічних дисциплін те, що конче необхідно знати геологам інших спеціальностей. Внаслідок скорочення обсягу лекційних годин довелося відмовитися від викладення в посібнику основ регіональної інженерної геології, яка є невід’ємною частиною інженерної геології і читається тепер лише для студентів-гідрогеологів. Під час розробки посібника автор базувався на результатах новітніх теоретичних досліджень в галузі інженерної геологій та суміжних наук, практики інженерних вишукувань та досвіду проектування, будівництва і експлуатації будівель і споруд.

Перший розділ посібника містить короткі відомості про суть інженерної геології, місце її в ряду інших геологічних наук та історію становлення й розвитку.

У другому розділі посібника подається опис тієї геологічної обстановки, яка вивчається й піддається оцінці під час інженерно-геологічних досліджень. Тут розглядаються інженерно-геологічні завдання, що розв’язуються за допомогою геоморфологічних, тектонічних та інших методів досліджень.

У третьому розділі розглядаються фізико-геологічні та інженерно-геологічні процеси і явища, які впливають на оцінку умов будівництва.

Четвертий розділ містить у собі поняття про стадійність інженерно-геологічних вишукувань відповідно до чиннних нормативних документів, а п’ятий – короткі відомості про методи інженерно-геологічної оцінки масивів гірських порід.

Автор висловлює подяку завідувачу кафедри гідрогеології та інженерної геології О.Є.Кошлякову та доценту С.В.Корнєєнку за рецензування посібника і цінні зауваження, висловлені при цьому, а також співробітникам кафедри, котрі надавали технічну допомогу під час підготовки електронної версії посібника до публікації.
РОЗДІЛ 1. Інженерна геологія як наука. Основні відомості з історії розвитку Інженерної геології. Завдання інженерної геології на сучасному етапі розвитку економіки і господарства.
Інженерна геологія входить у систему геологічних знань про Землю і є геологічною наукою, що межує з технічними науками (будівельною, гірничою), тісно пов‘язана з геологічними (стратиграфією, тектонікою, літологією, гідрогеологією) та іншими природними науками.

Основоположник інженерної геології акад. Ф.П.Саваренський вважав, що “інженерна геологія є галуззю геології, яка трактує питання прикладення геології до інженерної справи”. В одній із своїх робіт (ще у 1934 р.) він писав, що перед інженерною геологією постає подвійне завдання: 1) вибрати і вивчити на наукових засадах місця зведення споруд і 2) дати прогноз зміни природних умов внаслідок втручання людини.

Приблизно в той же час Г.М.Каменський (1936) ввів поняття про інженерно-геологічні процеси та явища. Їх вивчення, оцінка і прогнозування складають основне завдання інженерної геології. До них належать сучасні геологічні процеси та явиша, викликані природними факторами, але змінені (активізовані) інженерно-будівельною діяльністю людини, а також утворені знову під її впливом. Типові приклади – це переробка берегів водосховищ, вплив фільтраційних потоків на гірські породи, зсуви на берегах кар‘єрів і укосах виїмок і т.д. У кожного геологічного процесу є свій інженерно-геологічний аналог.

На думку В.В.Приклонського (1949), інженерна геологія складається з трьох основних розділів:

1. 
   вчення про гірські породи як ґрунти, включаючи і технічну меліорацію;
   

3) регіональна інженерна геологія.

За означенням І.В.Попова, інженерна геологія – це галузь геології, що вивчає будову і динаміку верхньої частини літосфери (гелогічного середовища), як об‘єкт будівельної діяльності людини.

Головними теоретичними й практичними завданнями інженерної геології на сучасному етапі є:

1. 
   вивчення діяльності людини у верхній частині літосфери як геологічного фактора;
   
2. 
   оцінка інженерно-геологічних умов (гірських порід, підземних вод, геологічних процесів тощо);
   
3. 
   просторово-часовий прогноз взаємодії геологічного середовища та інженерних споруд (у кількісній формі);
   
4. 
   обгрунтування методів управління геологічними та інженерно-геологічними процесами;
   
5. 
   спеціалізована типізація та районування території і масивів порід з метою раціонального їх використання, охорони оточуючого середовища і виконання вишукувань.
   

1. 
   Взаємозв’язок інженерної геології з іншими науками.
   

На сьогодні інженерна геологія займає цілком визначене положення в науці про Землю і є однією з двох її головних складових. Дійсно, де б у нашій країні або за її межами не виконувалися геологічні дослідження ­– на суші чи на морі, вони завжди спрямовані на розв’язок одного з двох основних завдань: 1) виявлення, розвідку та промислову оцінку родовищ корисних копалин і 2) вивчення й оцінку геологічних умов будівництва різноманітних споруд. Інженерна геологія розвивається на базі інших фундаментальних наук про речовину земної кори, про її історію та будову. Історична геологія, палеонтологія, стратиграфія, кристалографія, мінералогія, петрологія магматичних, метаморфічних і осадочних порід, а також геотектоніка, геоморфологія, гідрологія і гідрогеологія, мерзлотознавство, геофізика, фізична і колоїдна хімія, вчення про водні розчини, фізика і механіка пружних, пластичних і в‘язких, суцільних і дискретних тіл – ось далеко неповний перелік наук про Землю та інших природничих наук, здобутками яких користується інженерна геологія.

У наш час гірнича інженерно-будівельна та господарська діяльність людини є найважливішим геологічним чинником, що змінює стан верхньої частини літосфери та хід сучасних геологічних процесів. Свідченням цього є штучні землетруси, видобуток з надр гігантських мас порід (лише у вугільній промисловості більше 3 млрд. м³/рік), підземних вод, нафти, активізація зсувів об‘ємами до сотень мільйонів кубічних метрів, переробка берегів водосховищ та ін.

У 1944 р. В.І.Вернадський ввів поняття про “ноосферу” – сферу розуму, де людина стає найбільшою геологічною силою”. Справедливість його слів стає все більш очевидною з розвитком науково-технічного прогресу.

Наскільки великим і різноманітним є вплив людини на верхню частину земної кори, стає зрозумілим, якщо пригадати лише деякі факти і цифри, пов‘язані з цим впливом. Наприклад, у районі всесвітньо відомої Курської магнітної аномалії свого часу були створені найбільші кар‘єри для видобутку залізних руд відкритим способом. При підготовці цих кар‘єрів (Михайлівського і Лебединського) до експлуатаціі було знято більше, ніж 170 млрд. м³ порід, які перекривали руди. Із величезних котлованів площею в декілька км² і глибиною більше 100 м, відбувалося щоденне відкачування 120 тис. м³ води. Це призвело до зміни рівня підземних вод у всьому прилеглому районі.

Гідротехнічне та іригаційне будівництво також охопило території в десятки і навіть сотні тисяч км². На початок ХХІ століття площі зрошуваних земель у всьому світі досягають 200 млн. га. На жаль, зрошення і створення водосховищ у багатьох випадках призводить до засолення грунтів, заболочування значних територій, до інтенсивного розвитку зсувів, обвалів та інших негативних явищ .

Діяльність людей, пов‘язана з гірничими і будівельними роботами, призводить до переміщення порід об‘ємом не менше 1 км³ на рік, що прирівнюється до денудаційної роботи річок.

Вся інженерно-господарська діяльність людей тісно пов‘язана між собою, і в такому ж тісному зв‘язку опиняються різні види впливу людини на земну кору. Такий інтенсивний вплив на верхню частину земної кори вимагає вивчення інженерно-геологічних умов для великих територій та прогнозу їх зміни під впливом людської діяльності на тривалий час. При цьому під інженерно-геологічними умовами розуміють існуючі в даний час особливості геологічної будови території, складу і властивостей гірських порід, геологічних процесів, рельєфу та підземних вод.

Наприклад, можливе виникнення зсувів у результаті порушення природних схилів, виникнення сельових потоків при вирубці лісу, зміна мерзлотних умов при будівництві і т.д. Процеси і явища, викликані діяльністю людей, дістали назву інженерно-геологічних. Вони відрізняються від подібних, які розвиваються природним шляхом, тим, що для їх проявлення потрібно, як правило, менше часу. Інколи інженерно-геологічні процеси виявляються більш інтенсивними, ніж відповідні процеси у природних умовах.

Інженерна геологія вивчає і оцінює геологічні фактори, що впливають на інженерні споруди: на вибір місця їх розташування, на кострукцію, на способи виконання робіт і т.п. Інженерна споруда, в свою чергу, може змінити існуючі природні геологічні умови і процеси.

Є.М.Сергєєв (1978) визначає інженерну геологію як “науку, що вивчає земну кору як середовище життя і діяльності людини” (згадаймо “ноосферу” В.І.Вернадського).

При цьому, об‘єктом її вивчення є сучасний стан і динаміка зміни верхньої частини земної кори в зв‘язку з інженерною діяльністю людини. Це поняття дуже широке: воно включає в себе всі зміни, що відбуваються у складі, структурі і текстурі гірських порід, зміни їх властивостей і, як наслідок цього, виникнення і розвиток або, навпаки, зникнення різних геологічних процесів, що, в свою чергу, призводить до зміни інженерно-геологічних умов окремих територій.

Відповідно до цього в інженерній геології і виділяють три основні інженерно-геологічні дисципліни:

1. 
   грунтознавство (вивчає гірські породи як грунти);
   
2. 
   інженерну геодинаміку (вивчає як природні геологічні так і інженерно-геологічні процеси і явища);
   
3. 
   регіональну інженерну геологію (вивчає закономірності просторово-часової мінливості інженерно-геологічних умов в залежності від історії розвитку земної кори і сучасних фізико-географічних умов).
   

Початком же перших наукових досліджень і узагальнення накопиченого матеріалу можна вважати перші десятиліття ХІХ ст. З розвитком промислового капіталізму в Європі, і зокрема в Росії, з‘явилися і перші наукові праці: Д.Лачинова “Рассуждение об устроении и укреплении плотин” (1816), М.Герсеванова “Лекции о морских сооружениях” (1861), В.Карловича “Основания и фундаменты” (1869) та ін. В цих працях гірські породи вже звалися “грунтами”. Але на цьому етапі такими питаннями займалися лише будівельники.

Початком формування ґрунтознавства слід вважати створення в Петрограді у 1923 р. Дорожньо-дослідницького бюро. Виникло дорожнє грунтознавство, яке з часом при використанні для інших видів будівництва втратило прикметник “дорожнє” і стало зватися більш широко – “грунтознавство”. У 1930 р. була відкрита кафедра грунтознавства в Ленінградському університеті, а у 1938 р. – така ж у Московському. Велике значення для його розвитку (гунтознавства) мали праці П.А.Земятченського, М.М.Філатова, В.В.Охотіна, В.О.Приклонського, І.В.Попова, С.С.Морозова та ін.

У 1925 р. вийшла монографія Карла Терцагі “Будівельна механіка грунтів”, яка поклала початок нової науки “Механіка грунтів”. Це, як відомо, поєднання фізико-математичних, будівельних і геологічних наук.

Власне назва “інженерна геологія” з‘явилася невідомо коли. За спогадами І.В.Попова, “вона носилася в повітрі і застосовувалася російськими геологами вже в 20-х роках”. Вперше під назвою “інженерна геологія” у 1929 р. вийшла книга Редліха, Кампе і Терцагі німецькою мовою, але в ній обгрунтування назви і методологічних основ інженерної геології не було. На думку академіка Є.М.Сергєєва, інженерна геологія як наука сформувалася вперше в Радянському Союзі. Великий внесок в її становлення й подальший розвиток мали праці Ф.П.Саваренського, Г.М.Каменського, Н.Ф.Погребова, І.В.Попова, М.М.Маслова, М.П.Семенова, В.О.Приклонського та ін. вчених, що брали участь у вишукуваннях під будівництво гідроелектростанцій на Волзі, Дніпрі, по трасі каналу Волга-Москва та ін.

В 1929 р. була відкрита кафедра інженерної геології в Ленінградському гірничому інституті, а в у 1931 р. – у Московському геологорозвідувальному інституті.

У 1937 р. вийшли в світ книги: ”Інженерна геологія” Ф.П.Саваренського та “Методика інженерно-геологічних досліджень для гідротехнічного будівництва” (М.П.Семенов, М.І.Біндерман, М.М.Гришин). В 1951 р. вийшов підручник “ Інженерна геологія ” І.В.Попова.

В ті ж роки за кордоном виникла “геотехніка”, в якій на перше місце висувалися механіко-математичні методи аналізу геологічних та інженерно-геологічних явищ, що впливають на стійкість споруд, а загальноприйнятим дослідженням відводилася другорядна роль. Сьогодні не можна сказати, що розвиток інженерної геології завершився. Коло її завдань постійно розширюється.

Як і вся геологія, інженерна геологія використовує досягнення математики, механіки, фізики і хімії. Серед геологічних наук вона найтісніше пов‘язана з гідрогеологією та геокріологією: структура і текстура мерзлих порід, їх властивості значно відрізняються від подібних властивостей порід, не охоплених мерзлотою; геологічні процеси в мерзлих породах протікають своєрідно. В інженерній геодинаміці природні води розглядаються як один із основних чинників, що зумовлюють розвиток геологічних процесів.

Сполучною ланкою між інженерною геодинамікою та грунтознавством виступає механіка грунтів, а між грунтознавством і регіональною інженерною геологією – регіональне грунтознавство (вивчає основні закономірності формування і просторового розташування гірських порід як грунтів).
Запитання для самоконтролю.

1. 
   Дайте означення інженерної геології як науки.
   
2. 
   З яких основних частин складається інженерна геологія?
   
3. 
   Назвіть теоретичні і практичні завдання інженерної геології.
   
4. 
   З якими науковими дисциплінами пов‘язана інженерна геологія?
   
5. 
   Вкажіть головні етапи становлення інженерної геології.
   

Виконуючи інженерно-геологічні дослідження, зазвичай дають інженерно-геологічну характеристику умов будівництва тієї чи іншої споруди. В цьому випадку під інженерно-геологічними умовами розуміють такі, від наявності чи зміни яких залежать місце розташування споруди, її конструкція, способи виконання робіт, а також вибір заходів боротьби з несприятливими явищами. Отже, до інженерно-геологічних умов може бути віднесено будь-яке геологічне явище (наприклад наявність тріщин, особливості залягання порід, наявність і динаміка зсувних процесів, просідання лесів), якщо воно здійснює вплив на споруду.

Одна і та ж інженерно-геологічна умова оцінюватиметься неоднаково залежно від типу і конструкціі споруди. Наприклад, якщо в товщі однорідних і міцних порід, які складають природну основу споруди, міститься тонкий прошарок слабкої глини, то такий прошарок оцінюватиметься по різному залежно від того, що саме буде тут споруджено: будинок, гребля, мостовий перехід тощо.

Інженерно-геологічні умови, як правило, діляться на більш-менш однорідні групи, з тим, щоб їх можна було систематично вивчати, застосовувати специфічні методи досліджень. Так, наприклад, їх можна поділити на:

1. 
   геологічну обстановку;
   
2. 
   фізико-геологічні явища;
   
3. 
   інженерно-геологічні процеси.
   

Стосовно фізико-геологічних явищ академік Ф.П.Саваренський у 1941 р. дав їх класифікацію, яка грунтується на відмінностях причин утворення і розвитку цих явищ. Пізніше її доповнив М.В.Коломенський (1956) і на сьогодні вона виглядає наступним чином.

Табл. 1

Основні причини виникнення і розвитку явищ	Фізико-геологічні явища
1. Діяльність агентів вивітрювання	Вивітрювання
2. Діяльність поверхневих вод (морів, озер, річок, каналів)	Підмивання берегів та їх обвалення (морська і річкова абразія). Розмивання схилів (балки, яри) Селі
3. Діяльність поверхневих і підземних вод	Болота, просідання, карст
4. Діяльність поверхневих і підземних вод на схилах	Зсуви
5. Діяльність підземних вод	Суфозія Пливуни
6. Промерзання і відтанення грунту	Промерзання і пучинність Багаторічна мерзлота та її прояви
7. Дія внутрішніх сил Землі	Сейсмічні явища
8. Інженерна діяльність людини	Осідання, стискання, набрякання, поверхневі і підземні деформації в штучних підземних виробках

Як видно, в цій класифікації вказано на причини виникнення тих чи інших фізико-геологічних явищ, в чому і полягає її практична цінність, тому що заходи боротьби з цими явищами перш за все повинні бути спрямовані на усунення причин їх виникнення і розвитку, а якщо це неможливо (землетруси), то на послаблення їх дії на споруди. Однак, наведена класифікація дещо схематична в аналізі процесів, пов‘язаних з інженерною діяльністю людини і називаються інженерно-геологічними процесами. Тому можна навести ще одну класифікацію (І.В.Попов, 1951). В ній, на відміну від класифікації Ф.П.Саваренського, природні геологічні процеси співставляються з аналогічними інженерно-геологічними процесами.

Табл. 2

Природні геологічні явища	Інженерно-геологічні процеси
1. Ущільнення осадків в процесі діагенезу під впливом ваги наступних відкладів. Ущільнення порід під впливом навантажень від льодовиків і т.п.	Ущільнення порід в основах споруд
2. Ущільнення лесів в процесі епігенезу з утворенням степових блюдець	Просадкові явища в лесах внаслідок протікань з водогонів та фільтрації води з каналів
3. Наледі, льодяні бугри, термокарст і т.п.	Мерзлотні деформації порід в основах споруд та пучіння на дорогах
4. Зсуви, спливання, обвали, осипання	Деформація штучних укосів
5. Абразія по берегах морів та озер	Переробка берегів водосховищ
6. Провали над карстовими порожнинами	Зрушення гірських порід при підземних роботах

Отже, в подальшому ми розглянемо вплив геологічної обстановки на інженерно-геологічну оцінку місцевості, а потім перейдемо до характеристики фізико-геологічних явищ (за класифікацією Ф.П.Саваренського) і паралельно інженерно-геологічних процесів.