Дорожное грунтоведение - Курс лекций

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ю.Г.Бабаскин

ДОРОЖНОЕ ГРУНТОВЕДЕНИЕ И МЕХАНИКА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОРОГ

Курс лекций

Рекомендовано Редакционно-издательским советом Белорусского национального технического университета

Минск 2002

УДК 625.7311625.7312.Ш.131.4(075.8) ББЮ393Н-

Б 12

Рецензенты:

Кафедра «Проектирование дорог» Белорусского национального технического университета; д-р техн. наук, проф. Н.П.Вырко^

Бабаскин Ю.Г.

Б 12 Дорожное грунтоведение и механика земляного полоша дорог: Курс лекций / Ю.Г.Бабаскин. - Ми.: БИТУ, 2002. - 197 с.

ISBN 985-6529-62-Х.

Цель данного издания - оказание методической помощи студентам специальностей Я0 03 01 - «Автомобильные дороги», J70 03 02 - «Мосты, транспорчные тоннели и метрополитены» при изучении дисциплины «Дорожное грунтоведение и механика земляного пололи дорог». Курс лекций содержит теоретический материал но региональной инженерной геологии, общему и региональному грунтоведению, механике грунтов и технической мелиорации и предполагает последовательное изучение вопросов, начиная от строения земной коры, инженерно-геологических особенностей территории Беларуси, характеристик минералов и основных видов горных пород, образующих грунты, эндогенных и экзогенных процессов и явлений, влияющих на формирование антропогенового покрова, физических и механических свойств ipywroB и заканчивая изучением инженерных задач, связанных с механикой земляного полотна дорог и укреплением грунтов в шгженерных целях. Тематика пособия и количество предстаатенных тем соответствуют разработанной учебной программе по дисциплине «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог».

УДК 625.731+625.731.2:624.131.4(075.8) ББК 39.311

В в е д е н и е

Представленный материал предназначен для изучения в высших учебных заведениях по специальностям J70 03 01 - «Автомобильные дороги», J70 03 02 - «Мосты, транспортные тоннели и метрополитены».

Основная цель изучаемой дисциплины заключается в ознакомлении с геологическими условиями района возведения сооружения, свойствами и категориями грунтов, особенностями их использования в дорожном и транспортном строительстве, основными вопросами механики грунтов.

Вопросы, связанные с изучением грунтов и рассмотрением их строительных свойств, изложены в определенной последовательности для наилучшего усвоения этой темы студентами.

Прежде чем рассмотреть понятие «грунт», необходимо изучить составляющие компоненты всех горных пород - минералы с их свойствами, структурой и особенностями. Минералы образуют горные породы - более крупные соединения, у каждого из которых - свое происхождение и возраст. С породами происходят эндогенные и эгзогенные процессы, постгенетические преобразования. Только после рассмотрения вышеобозначенных вопросов можно приступить к изучению грунта как строительного материала. Поэтому разделы грунтоведения включают в себя подробное описание строительных свойств грунтов, их физических характеристик, классификации, показателей консистенции, наличия и форм воды в них, распространенности в региональных условиях Беларуси и т.д.

Следующий этап - решение инженерных задач, вытекающих из основных закономерностей механики грунтов. Строитель-дорожник должен иметь знания о прочности грунта, его деформируемости, возникновении и распределении напряжений в грунтовой толще под влиянием собственного веса и внешней нагрузки, процессах и принципах уплотнения однородных и слоистых грунтовых конструкций, реологических свойствах.

Дисциплина «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог» включает два основных раздела: инженерную геологию и механику грунтов.

При решении вопросов, связанных со строительством дорожных сооружений, необходимо также знать особенности горных пород. До начала строительства на стадии выбора наилучшего варианта участка

3

и объективной оценки конкурирующих вариантов необходим широ. кий круг сведений о геологическом строении территории, геологиче. ских процессах, которые уже протекают или могут возникнуть в ре. зультате строительства, гидрогеологических условиях и т.д.

Эти вопросы и изучает инженерная геология - наука 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, которые слагают верхнюю часть литосферы, рассматриваемые как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека, что приводит к изменению природных геологических процессов и возникновению новых антропогеновых процессов, изменяющих инже- нерно-геологические условия определенной территории.

Антропогеновьши процессами называются геологические процессы, возникшие в результате деятельности человека.

Инженерная геология как наука включает в себя следующие основные разделы: региональная инженерная геология, инженерная геодинамика, грунтоведение.

Региональная инженерная геология изучает: типизацию и районирование территорий; щиты и плиты древних и молодых платформ.

Инженерная геодинамика изучает:

факторы, определяющие развитие геологических и антропогеновых процессов;

эндогенные процессы и вызванные ими явления; экзогенные процессы климатического характера, процессы вывет-

ривания, криогенные и посткриогенные, а также эоловые процессы; экзогенные процессы водного характера, явления растворения,

суффозии, размывания, заболачивания; гравитационные или склоновые процессы, а также обвалы, осы-

пи, оползни, снежные лавины.

Одним из основных разделов инженерной геологии является Грунтоведение, которое, в свою очередь, подразделяется на три подраздела: общее грунтоведение, региональное грунтоведение, техническая мелиорация грунтов.

В соответствии с инженерно-геологической классификацией предложенной Е.М.Сергеевым, В.А.Прсклонским, В.Ф.Бабковым-

4

В.М.Безруком и другими исследователями, грунтами называют горные породы различного состава, свойств и происхождения, слагающие верхние слои земной коры, преимущественно затронутые процессами выветривания, а в самой верхней части - почвообразования.

Из грунтов сооружают плотины и земляное полотно автомобильных и железных дорог. Грунтовое основание воспринимает нагрузку инженерных сооружений. Грунт является средой, в которой располагаются тоннели, трубопроводы и кабели.

Общее грунтоведение изучает:

особенности состава и строения грунтов и почв; наличие воды в грунтах; структурные связи в грунтах;

грунты как многокомпонентные системы; физические, физико-химические и физико-механические свойст-

ва грунтов; особенности магматических, метаморфических и осадочных гор-

ных пород; дисперсные и искусственные грунты.

Региональное грунтоведение рассматривает специфику залегания, свойств и особенностей грунтов, распространенных на изучаемой территории или в регионе строительства транспортного объекта.

Техническая мелиорация грунтов решает вопросы искусственного улучшения грунтов, изменения их свойств в соответствии с требованиями различных видов строительства.

Дорожное грунтоведение - наука, изучающая происхождение, состав, строение и свойства грунтов с точки зрения использования их в дорожном строительстве, а также в качестве основания при сооружении мостов и труб на автомобильных дорогах.

Механика грунтов - научная дисциплина, изучающая напря- женно-деформированное состояние, прочность и устойчивость грунтов. В механике грунтов используются решения ряда задач теории упругости, пластичности, ползучести и фильтрации.

В данном издании в соответствии с вышеуказанной систематизацией представлены в кратком виде все разделы, которые необходимо усвоить при сооружении земляного полотна автомобильных дорог в региональных условиях Республики Беларусь. Представленный материал ориентирован на программу курса по специальностям J70 03 01, J70 03 02 и соответствует требованиям-к изучению

5

дисциплин «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог» и «Инженерная геология».

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой «Строительство и эксплуатация дорог» д-ру техн. наук, проф. И.И.Леоновичу, директору инженерно-консалтингового центра республиканского унитарного предприятия «БелдорНИИ» д-ру техн. наук, проф. В.Н.Яромко за методическую помощь в подготовке издания и критические замечания, а также рецензентам - проф., д-ру техн. наук Н.П.Вырко и доц., канд. техн. наук И.К.Яцевичу за советы по улучшению содержания рукописи.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ

1.1.Краткая историческая справка

Впервые довольно точно измерил величину земного шара древнегреческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (ок. 276-194 г. до н. э.) из египетского города Александрия. Он следом за Аристотелем считал, что Земля имеет форму шара.

Эратосфен сделал открытие, что в день летнего солнцестояния в Асуане, расположенном южнее Александрии, солнце освещало в полдень дно глубоких колодцев. В тот же полдень в Александрии, по измерениям Эратосфена, Солнце отстояло от зенита на 7° 12', что составляет 1/50 долю земной окружности. Отсюда Эратосфен заключил, что такую же долю окружности Земли составляет расстояние от Асуаны до Александрии. Измерить это расстояние в те времена можно было только по числу дней, которое тратили караваны верблюдов на переход между этими городами. Оно составляло 5000 греческих стадий - т.е. приблизительно 160 км . Следовательно, вся окружность Земли в 50 раз больше и должна составлять 40 000 км, что оказалось очень близким к современным расчетам.

О внутреннем строении Земли впервые высказал предположение греческий философ Эмпедокл (V век до н. э.), ссылаясь на процессы, происходящие на действующих вулканах. Эмпедокл изучал вулкан Этна, по склонам которого текли мощные потоки лавы. Он предпринял отчаянно смелое путешествие вглубь кратера и погиб в жерле вулкана.

6

1.2. Современные сведения о строении земного шара

Экваториальный радиус земного шара составляет 6 378,245 км, полярный - 6 356,863 км, т.е. Земля сплюснута на 42,764 км.

Расположение грунтовой толщи выветривания в общем строении Земли, по М.М.Филатову, показано на рис. 1.1 [2].

Земля имеет сложную форму геоида, центрально-симметричное строение и состоит из нескольких геосфер. Прежде всего, ее делят на три части: тонкую наружную кору; огромную мантию, занимающую 5/6 всей Земли по объему и 2/3 по массе; ядро в середине.

Материковая кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитного и базальтового. Мощность осадочного слоя может достигать 15 км и больше; в некоторых местах этого слоя нет совсем. Гранитный слой назван так потому, что скорость сейсмических волн в нем такая же, как в граните. Он состоит из разных метаморфических и магматических пород (преимущественно гранитов и гнейсов) кристаллического сложения. Под ним залегает базальтовый слой, названный так в связи со скоростью сейсмических волн. Действительный состав этого слоя неизвестен. Слой земной коры от поверхности до мантии называют литосферой.

Если представить Землю в виде шара диаметром 4 м, то земная кора представляла бы оболочку толщиной около 1 см.

(ддвление-35мюшм темптам-5000*с)

Рис. 1.1. СхемастроенияЗемли но М.М.Филатову

7

Переходную зону от ядра к земной коре составляет очень мощная оболочка Земли - мантия, которая делится на верхнюю оболочку - перидотитовую и нижнюю - промежуточную. Между ними нет резкой границы. Условно она проходит на глубине 900... 1200 км.

Ядро занимает 16% земного шара по объему и 31,5% по массе. Его делят на две части: внешнее и внутреннее ядро (субъядро). Поперечные волны сквозь внешнее ядро не проходят, следовательно, оно жидкое. В субъядре скорость сейсмических волн постоянная, поэтому считают, что оно твердое. Диаметр ядра - около 2500 км. Давление в нем достигает 3,5 млн. атм. Температура ядра 5000°С, а температура вытекающей из вулкана магмы - всего 1200... 1400°С.

Плотность земного шара, равная 5,5, значительно превышает плотность горных пород (2,5...2,8), слагающих земную пору. При этом условии плотность центральной части должна равняться 12, т.е. быть близкой к плотности железа и никеля (Fe, Ni).

1.3. Геологическая хронология

Геохронология - это подразделение геологического времени на условные отрезки, имеющие определенные названия (эра, период, эпоха, век), и расположение их в определенном порядке [3].

Возраст Земли оценивается в 4,5...5,0 млрд. лет. Возраст первого материка приблизительно равен 4 млрд. лет. Жизнь на Земле зародилась примерно 2,3 млрд. лет назад. Среднегодовая температура поверхности земного шара тогда составляла 72°С. В эпоху господства пресмыкающихся (около 200 млн. лет назад) она была близка к 20°С. В настоящее время среднегодовая температура Земного шара равна 14,8°С.

За последние 500 тыс. лет земной шар испытал четыре периода оледенения. Последний раз ледник ушел 16 тыс. лет назад; его остатки мы видим в Гренландии и Антарктиде. Таяние льдов на этих материках ежегодно повышает уровень мирового океана на 2 мм.

Геологическое время Земли подразделяется на пять зр\ архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую.

Архейская эра - древнейшая эра в геологической истории Земли продолжавшаяся около 1 млрд. лет. Это - время формирования земной коры, появления на ней первой воды, накопления первых мощ-

8

ных толщ осадочных пород. На геологических картах архейская эра имеет обозначение AR.

Протерозойская эра (PR) продолжалась 600...800 млн. лет. Для нее характерен теплый тропический климат, обширное распространение моря, где происходило накопление известняков. Продолжалось наращивание земной коры; на ее поверхности со временем на-

При палеозойской эре проявились две мощные складчатости: каледонская и герцинская. Климат палеозоя отличался, в основном, тропическими и субтропическими режимами, которые закончились резким похолоданием в пермский период. Породы палеозоя характеризуются, в основном, известняками, мергелями и доломитами. На континентальных платформах они представлены глинами, песками и рыхлыми песчаниками.

Всилурийский период произошло мощное горообразование. Оно сопровождалось поднятием материков и обмелением морей. Образовалась каледонская складчатость.

Вдевонском периоде произошло резкое сокращение морских бассейнов и увеличилась поверхность суши.

Вкаменноугольный период началось наступление моря на сушу; древние каледонские горы сгладились. Большая часть Европейской равнины оказалась затопленной морем; образовались огромные заболоченные низины. Свое название период получил из-за обилия в его отложениях угля.

Мезозойская эра (MZ) продолжалась 50...250 млн. лет. Она включает три периода: 1) триасовый (.Т); 2) юрский (J); 3) меловой (К). Это была эпоха относительного тектонического покоя, характеризовавшаяся теплым однообразным климатом. Среди континентальных отложений преобладали известняки, глинистые сланцы, озерные мергели и глинистые известняки.

Втечение триасового периода происходило чередование сухих и влажных периодов, интенсивно протекала вулканическая деятельность.

9