Historia rozwoju geologii

XVIII w. – powstanie geotechniki XIV w. – wzrost wymagań do podłoża pod budowle ze względu na kolej. Prekursorem

był W. Smith. C.A.Coulomb sformułował prawo klasycznej mechaniki gruntów. Geotechnika w Polsce rozwinęła się w okresie międzywojennym. W 1936r. – powstał Komitet Badania Gruntów.

Dziedziny geologiczne

geologia dynamiczna tektonika mineralologia petrografia geologia inżynierska hydrogeologia geofizyka

Geotechnika

Wyniki badań geotechnicznych są podstawowymi danymi do projektowania fundamentów konstrukcji budowlanych, dróg lądowych itd.

Związek geotechniki z geologią i projektowaniem

- Gruntoznawstwo- Mechanika gruntów - Mechanika skał- Geologia inżynierska

Geotechnika

Budownictwo – lądowe, wodne, komunalne, podziemne, środowiska

Skutki budowania obiektów na gruntach

Stan naprężenia Odkształcenie podłoża Nierównomierne osiadanie Pęknięcia fundamentów Wypieranie skał spod fundamentów

Szkodliwe przemiany fizyczne i mechaniczne skał

Obniżenie wytrzymałości

Skutki

- wypiętrzenia- osiadanie podłoża- osuwanie skarp- powstawanie wysadzin drogowych

Wpływ na trwałość i bezpieczeństwo budowli ma prawidłową ocene współdziałania obiektu z podłożem gruntowym.

Zadania geologii

rozpoznanie budowy geologicznej terenu przeznaczonego pod zabudowę ustalenie właściwości fizycznych i mechanicznych skał gruntów występujących w

podłożu gruntowym podział skał i gruntów na zespoły poprzez badania laboratoryjne i polowe w celu

określenia zachowania się podczas współpracy z obiektem ocena i prognoza wpływu czynników geologicznych na bezpieczną pracę obiektów

budowlanych i wskazanie środków zaradczych prognoza współdziałania budowli z podłożem gruntowym.

Ważne definicje

SKAŁA- w ujęciu geologicznym to naturalny zespół minerałów postaci stałej, płynnej lub gazowej o określonych stosunkach ilościowych różnym stopniu spójności powstałych w wyniku procesów geologicznych.

GRUNT- skała rozpatrywana jako podłoże budowlane oraz jako tworzywo, z którego wykonuje się różne obiekty, np.: zapory, nasypy, obwałowania.

PODŁOŻE BUDOWLANE- to ta strefa gruntu, która bezpośrednio współpracuje z obiektem budowlanym.

PROCESY GEOLOGICZNE- pewne zmiany zachodzące w środowisku geologicznym pod wpływem naturalnych czynników wew. i zew.

PROGNOZA GEOLOGICZNO- INŻYNIERSKA- ilościowe określenie rozmiarów rodzaju procesów, które będą występować w trakcie wznoszenia i eksploatacji obiektów.

SKAŁY SKORUPY ZIEMSKIEJ JAKO PODŁOŻE BUDOWLANE Geologia - nauka o Ziemi, która jest obecnie w trakcie dużego rozwoju spowodowanego poszukiwaniem surowców stałych, płynnych i gazowych. Przy tych poszukiwaniach stosuje się głębokie wiercenia i skomplikowane metody geofizyczne, dzięki którym możemy uściślić poglądy na temat budowy Ziemi.

W czasie rozwoju Ziemi powstały skały o zróżnicowanym składzie w budowie.

Skorupa ziemska zbudowana jest ze skał

MAGMOWYCH- powstałe przez krzepnięcie magmy jako gorącej, wieloskładnikowej materii o różnych stosunkach faz ciekłej, stałej, gazowej. Występuje na dużej głębokości.

OSADOWYCH- powstałe w wyniku niszczenia skał magmowych i przemieszczania się produktów niszczenia. Pod wpływem przeobrażeń fizyczno- mechanicznych powstały różne odmiany kał osadowych.

METAMORFICZNE- powstały w wyniku działania ciśnienia i temperatury na pierwotne skały magmowe i osadowe. Z magmowych tworzyły się ortometamorficzne, a z osadowych- parametamorficzne.

Do określenia wieku Ziemi stosuje się

METODA WIEKU BEZWZGLĘDNEGO - polega ona na zjawisku okresowego, połowicznego rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. To czas, w którym ulega rozpadu połowa atomów danego pierwiastka.

METODA WIEKU WZGLĘDNEGO - paleontologicznego polega na badaniu szczątków organizmów zwierzęcych i roślinnych, zwanych skamieniałościami.

Wiek Ziemi szacuje się na ponad 4mld lat.

Skały MagmoweWraz z obniżeniem się temperatury stopu zachodzą zjawiska dyferencjacji i krystalizacji, w wyniku, czego ukształtowały się minerały.

Ważna jest szybkość chłodzenia magmy. Z jej wzrostem minerały są mniej wyraziste i drobniejsze.

MINERAŁ - Pierwiastek lub związek chemiczny w różnych stosunkach ilościowych. Powstały w sposób naturalny.

Minerały krystalizują się wg pewnych form geometrycznych, zwanych kryształami. Kryształ charakteryzuje się pewną prawidłowością w przestrzennym rozmieszczeniu atomów tworzących sieć krystaliczną.

właściwości fizyczne minerałów:

Izotropowość- właściwości fizyczne i chemiczne (gęstość właściwa, ciepło topnienia), są takie same w różnych punktach kryształu.

Anizotropowość- kryształ w różnych kierunkach wykazuje różne właściwości np. twardość, łupliwość, właściwości optyczne, rozszerzalność cieplną.

Istnieje 7 układów sieci krystalizacji, według których tworzą się kryształy

- trójskośny-jednoskośny-rombowy-tetragonalny-regularny-trygonalny-heksagonalny

Czasem minerały występują jako ciało bezpostaciowe, które nie wykazuje żadnej prawidłowości w budowie wewnętrznej, a ich budowa polega na bezładnym ułożeniu drobin lub większych ich zespołów.

Właściwości mechaniczne skał magmowych

Są zależne od właściwości tworzących je minerałów, zaś właściwości minerałów zależą od składu chemicznego i układu krystalizacyjnego.

Do najważniejszych z nich należą:

ŁUPLIWOŚĆ- określająca podatność minerałów na pękanie pod wpływem uderzenia lub nacisku na części ograniczone powierzchniami płaskimi.Można ją zaobserwować w kilku kierunkach i zawsze jest ta sama, niezależnie od kierunku przyłożenia siły.

Skala:

Doskonała Dobrze wyraźna Niewyraźna

TWARDOŚĆ- opór minerału na rysujące go ostrze przeciągane po jego powierzchni. Ustalana poprzez porównanie z twardością innego minerału. Określa się ja za pomocą skali F. Mohsa, która obejmuje 10 minerałów od najmniej do najbardziej twardego. Można ją badać laboratoryjnie za pomocą mikrotwardościomierza. Twardość skał może być inna niż minerałów z uwagi na wieloukładowy charakter skały.

W praktyce twardość skał krystalicznych zawarta jest w granicach 2-7 wg skali Mohsa co odpowiada skali mikrotwardościomierza 3,6- 112MPa. Najbardziej twardy to diament - 10, najmniej talk - 1.

Najważniejsze minerały skałotwórcze skał magmowych

Nazwa minerału Nazwa chemiczna GęstośćTwardość wg skali Mohsa

Typowy przedstawiciel grupy

minerałówKWARC Dwutlenek krzemy 26,5 7 Kryształy kwarcu

SKALENIE Glinokrzemian K 25,0- 26,0 6 Ortoklaz

PLAGIOKLAZYGlinokrzemiany Na i Ca 25,0- 28,0 8 Diagoklaz, andezyt,

labradar, bytownit

ŁUSZCZYKIUwodnione glinokrzemiany K, Mg i Fe

2- 3 Muskowit

AMFIBOLEMetakrzemiany metali jedno-, dwu- i trój- wartościowych

30,0- 35,0 5,5 Hornblerola

PIROKSENYMetakrzemiany metali jedno-, dwu- i trój- wartościowych

32,0- 34,0 5,5 Angit

OLIWINY Ortokrzemiany Mg i Fe 33.0- 42,0 6- 7 oliwin

Struktura i tekstura skał magmowych

STRUKTURA- sposób wykształcenia składników mineralnych danej skały. Wyróżnia się strukturę jawnokrystaliczną- jej składniki mineralne można rozpoznać makroskopowo, w przeciwnym wypadku strukturę nazywamy kryptokrystaliczną. Inny typ struktury to równoziarnisty.

TEKSTURA- sposób przestrzennego ułożenia składników mineralnych w skale. Wyróżnia się teksturę bezładną, kierunkową- fluidalną, masywną(zbitą) i porowatą.

Podział skał magmowych

Zależy od ilościowego składu mineralnego i warunków, w jakich powstały minerały skałotwórcze.

Powstanie minerałów zależy od warunków, w jakich odbywała się krystalizacja magmy: SKAŁY GŁĘBINOWE-, jeśli przebiegała ona na większych głębokościach, wtedy

proces krystalizacji odbywa się powoli. SKAŁY WYLEWNE- powstały przy wylaniu magmy na powierzchnię Zimi. SKAŁEY ŻYŁOWE- powstały z magmy krzepnącej w szczelinach i rozłamach

skalnych.

W Polsce podział ten zależy od zawartości kwarcu:- kwaśne, obojętne i zasadowe.

Przemieszczanie się zbiorników magmy w górne warstwy litosfery nazywamy INTRUZJĄ. W zależności od ułożenia się krystalizacji magmy w stosunku do skał otaczających wyróżnia się intuzje:- zgodne i- niezgodne.

Praktyczne znaczenie skał magmowych

Skały magmowe są praktycznie wykorzystane w działalności techniczno- przemysłowej np. bazalt i innych skał magmowych oraz odpowiednie regulowanie krystalizacją powstałego stopu. Otrzymuje się w ten sposób tworzywo drobno krystaliczne o innych właściwościach niż skała wyjściowa.

Leiznę wykorzystuje się do budowy urządzeń pracujących w warunkach agresywnego działania roztworów chemicznych (np. wanny, przewody, kształtki, itp.)

Niektóre odmiany skał alkalicznych i zasadowych stanowią surowiec do przeróbki chemicznej w celi uzyskania związków potasu glinu i żelu krzemionkowego

Większość skał magmowych jest szeroko wykorzystywana jako materiały budowlane. Dzięki dużej wytrzymałości mechanicznej używane są jako:- bloki konstrukcyjne- wykładziny- krawężniki drogowe- kamień łamany (tłucznik)- kruszywo do betonu.

Wytrzymałość na ściskanie jest bardzo wysoka ( bazalt do 500MPa, granit do 2900Mpa)

Skały magmowe występują głównie w Sudetach, duże pokłady granitu występują koło Sobótki, Strzelina, Strzygonia.

Skały magmowe są bardzo dobrym podłożem budowlanym, bo mają korzystne właściwości i wysokie wskaźniki techniczne:Do zalet należą:

- nieściśliwość- trudnościeralność- duża wytrzymałość na ściskanie- odporność na warunki atmosferyczne- walory estetyczne.

UWAGA!!Skały magmowe są podatne na wietrzenie-, w wyniku tego mogą tracić swoje właściwości dlatego przy ocenie geotechnicznej należy na to zwrócić uwagę.

SKAŁY OSADOWEPowstają przez niszczenie skał magmowych i osadzanie zwietrzeliny w środowisku wodnym lub na lądzie.

Dzielimy je na:

Ilaste Okruchowe Chemiczne i organiczne.

Najważniejsze minerały skałotwórcze skał osadowych

Grupa minerałów

Nazwa minerału

Gęstość Twardość wg skali Mohsa

Charakterystyka chemiczna i inne cechy fizyczne

Grupa krzemionki

chalcedonopal

2,59- 2,692,6

6,0- 6,55,5- 6,6

-Bezpostaciowe blaszki krzemu o różnym zabarwieniu, niełupliwe.

Minerały ilaste

kaolinitilinitmontmorylonit

2,5- 2,62,1- 2,52,0

1,51,5- 2,01,0- 1,5

-Uwodnione krzeminy glinu krystalizują w układzie jednoskośnym;-Ma właściwości pęczniejące.

Węglany kalcytdolomitmagnezytsyderyt

2,6- 2,82,8- 2,95,173,9

3,03,5- 4,03,6- 4,53,5- 4,0

-CaCO3, doskonale łupliwy;-CaCO3- magnezowy, dobrze łupliwy; -MgCO3, niełupliwy; -Fe(2)( CO3)(3), niełupliwy.

Siarczany gips

anhydryt

2,3- 2,4

2,9- 3,0

2,0

3,0- 4,0

-Uwodniony siarczan wapnia doskonale łupliwy; -Siarczan wapnia łatwo rozpuszczalny

Chlorki halit

sylwinkamalit

2,1- 2,2

1,9- 2,01,6

2,0

1,5- 2,02,0- 3,0

-NaCl, doskonale łupliwy, łatwo rozpuszczalny; -KCl, doskonale łupliwy-Chlorek potasowo- magnezowy, łupliwy, łatwo rozpuszczalny.

Skały ilaste

zróżnicowane genetycznie i petrograficznie. Mają zmienne właściwości i są podatne na wpływ czynników zew (temp i wilgotność). Skały ilaste powstają w procesie wietrzenia chemicznego skał magmowych zawierających głównie skalenie potasowo- sodowe.Najważniejsze z nich to:- kaolinit - Al4[(OH)8Si4O10]- montmorylonit - Al2[(OH)2Si4O10] nH2O- illit - KAl2[(OH)2(Al2Si3)O10] nH2O

Grupy minerałów ilastych różnią się między sobą właściwościami fizycznymi (zachowanie wobec wody) i mechanicznymi. Różnice te wynikają z budowy przestrzenne tych minerałów.

Grupy minerałów ilastych

1. GRUPY KAOLINITU - ma znaczną twardość strukturalną, a grunty go zawierające są mało hydrofilne, a tym samym są mało wilgotne i mało pęczniejące. Powierzchnia właściwa kaolinitu wynosi 10- 30*103 m2/kg.

2. GRUPY MONTMORYLONITU - mają silne właściwości pęczniejące. Wzrost nasycenia wodą może doprowadzić do zniszczenia struktury mineralnej. Najbardziej hydrofilny jest montmorylonit, który przez zwiększenie swojej objętości powoduje ruchy podłoża i tym samym prowadzi do szkód budowlanych. Skurcz (utrata wody przez minerał ilasty) powoduje zmniejszenie objętości minerału i może prowadzić do pewnych ruchów podłoża budowlanego.

3. GRUPA ILLYTU - posiadają pośrednie właściwości pomiędzy grupa pierwsza i drugą, co wynika z obecności innych ładunków elektrycznych. Ich właściwości mechaniczne i fizyczne zależą od powierzchni właściwej.

Powierzchnia właściwa- to pow. Szkieletu gruntowego odniesienia do jednostki masy (m2/kg).

Wyróżnia się 3 rodzaje kontaktów międzycząsteczkowych:

- powierzchnia z powierzchnią: równoległe ułożenie cząstek domeny cechuje duża energia przyciągania- krawędzi z powierzchnią: powoduje słabsze przyciąganie, mimo że działają tu różne siły przyciągania elektrostatycznego,- krawędzi z krawędzią: powierzchnie styku są małe w konsekwencji niskie wartości energii potencjalnej w procesie przyciągana.

Teoretyczne modele

a) Model „domek z kart”- charakteryzuje wrażliwość iłów morskichb) Model skrzynki - dla iłów o ograniczonym pęcznieniuc) Model sieci - opisuje zjawiska skurczu i pęcznienia iłów.

Skały okruchowe

Dzieli się wg wymiarów ziaren, z których zostały utworzone.Okruchy skalne mogą mieć różny kształt- to wynik czasu trwania ich transportu do miejsca akumulacji.

W praktyce przyjmuje się 4 stopnie obtoczenia (!!ich znajomość ma ważne znaczenie w budownictwie):- okruchy kanciaste,- okruchy słabo obtoczone,- okruchy obtoczone,- okruchy dobrze obtoczone.

Podział skał okruchowych

Wymiary ziarn i ich strukturaNazwa skał

luźnychzdiagenezowanych/ scementowanych

>2 mm-gruzowo- żwirowa

Gruz, brekcja, żwir Zlepieniec, żwirowiec

2- 0,1 mm-piaskowa

Piasek rzeczny, rzeczno- lądowy, morski.

Szarogłaz, narkoza, piaskowiec, kwarcyt

0,1- 0,01 mm-mułowcowa

Less, mułki(pyły) mułowce

<0,01 mm-iłowe

Lateryt, boksyt, skały piroklastyczne, ił z dopełnieniem często nazwy regionalnej, glina zwietrzelinowa, zwałowa

Bentonit, iłowce, łupki ilaste, ilołupki.

Skały osadowe pochodzenia chemicznego i organicznego

Skały chemiczne- powstały przez wytrącenie z roztworów wodnych różnych związków chemicznych.

Skały organogeniczne- tworzą się przez nagromadzenie szczątków (przeważnie organizmów żyjących w wodzie morskiej). Najbardziej rozpowszechnione są skały wapienne triasu, jury i kredy.

Znajdują one zastosowanie głównie przemyśle chemicznym, spożywczym oraz w rolnictwie.Podwyższone ciśnienie(10-60MPa) i tem(ok.100oC) powodują ich uplastycznienie.

Do minerałów skałotwórczych skał osadowych należą minerały związku żelaza(II). Na ogół ułożone są one poziomo warstwami lub nachylone są pod niewielkim kątem.

Przykłady ułożenia skał osadowych

Najczęściej występujące skały chemiczne i mechaniczne

RODZAJ CHEMICZNY SKAŁY CHEMICZNE SKAŁY ORGANICZNE

Węglany

Wapienie, wapienie margliste, margle ilaste, kreda jeziorna, dolomity, dolomity wapienne, dolomity margliste.

Wapienie oolitowe, wapienie otwornicowe, wapienie rafowe, kreda pisząca.

Siarczany Gipsy, anhydryty. ------------Chlorki Halit ------------Krzemionki Lidyty, krzemienie, czerty. Radiolaryty.

Środowisko powstania skał osadowych środowiske morskie doliny rzeczne płytkie zbiorniki wodne na suchym ladzie, tworząc np.: wydmy i lessy.

Proces ich tworzenia nazywamy sedymentacją.

Właściwości skał osadowych zastały ukształtowane w rozmaitych warunkach sedymentacyjnych i geologicznych.

Kształtowanie akumulacja:

morska, rzeczna, jeziorna, bagienna, lodowcowa, eoliczna.

AKUMULACJA MORSKA- polega na osadzaniu się rozdrobnionego materiału skalnego o różnych rozmiarach ziarn naniesionego przez rzeki do mórz i oceanów.

Przebiega ona w 4 sedymentacyjnych strefach:- litoralna(występuje 40-60m p.p.m.),- nerytyczna(60-230m p.p.m.),- batialna(230-2500m p.p.m.),- abysalna(>2500m p.p.m.).

Opisane typy sedymentacji są charakterystyczne dla morza geosynklinalnego(tzn. morza, których dno uległo obniżeniu w wyniku działania procesów tektonicznych- wskutek czego tworzyły się osady o dużej miąższości).

AKUMULACJA RZECZNA- jest wynikiem osadzania materiału okruchowego naniesionego do rzek przez wody opadowe i w zależności od siły transportowej rzeki osadzonego w różnych częściach doliny.

Rzeka może erodować w swoje podłoże do głębokości odpowiadającej poziomowi dna zbiornika, do którego uchodzi(poziom podstawowy). Natomiast profil równowagi oznacza, że rzeka nie eroduje w głąb, ale tylko transportuje dostarczony jej materiał okruchowy.

Można wyróżnić dwa stadia rozwojowe rzeki:MŁODOCIANE- w których koryto jest wąskie i wcina się w podłoże.DOJRZAŁE - kiedy koryto poszerza się i wypełnia piaszczysto- żwirowymi osadami. W tym stadium rzeka może przybierać formy: meandrującą i roztokową.

AKUMULACJA JEZIORNA- odbywa się w śródlądowych zbiornikach wodnych o różnej głębokości. Przy brzegach zbiorników osadza się wtedy materiał grubszy, a drobnoziarnisty dalej od brzegu.

Do najważniejszych osadów zaliczamy:

- sapropel- tworzy się z resztek roślinnych(gytie),- kreda jeziorna- powstaje z CaCO3 przenoszonego przez rzeki,- ziemia okrzemkowa- tworzy się przez nagromadzenie skorupek okrzemek, - ruda darniowa- powstaje przez wytrącenie się koloidalnych wodorotlenków żelaza oraz kwaśnych węglanów wapnia.

AKUMULACJA BAGIENNA- powstaje w płytkich zbiornikach wodnych lub obrębie częściowo zasypanych jezior, które uległy spłyceniu.

Jej wynikiem może być: torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny.

Powstają one przez reakcje chemiczne rozkładu materii organicznej występującej w przybrzeżnych strefach zbiornika. Miąższość ich warstw może osiągnąć kilka metrów.

AKUMULACJA LODOWCOWA- jej podział opiera się na rozróżnieniu typów lodowców:

- górskie: tworzą się w górach po9wyżej granicy wiecznego śniegu(np.: Alpy, Himalaje, Andy). W ich wyniku powstają osady gruboziarniste.

- kontynentalne(lądolody): pokrywają strefy obu biegunów Ziemi. W miarę ocieplania się klimatu z lodowca wypływają ogromne ilości wód wynoszące materiał okruchowy na jego przedpolu.

Ciężar lodowca i jego ruchy powodują wyciskanie i przemieszczanie się bloków skalnych różnych rozmiarów, które tworzą skupiska zwane morenami.

AKUMULACJA EOLICZNA- jest wynikiem działalności wiatru i przebiega intensywniej na obszarach nieosłoniętych i nie pokrytych roślinnością.Polega na wywiewaniu przez wiatr ziaren drobnego piasku i pyłu, które następnie osadzają się w innych miejscach. W wyniku tego procesu powstają: wydmy i pokrywy lessowe.

Wydmy- powstają przez wywiewanie ziarn piasku tuż nad powierzchnią ziemi. W miejscu napotkania przeszkody(np. nierówności terenu, głazy) piasek tworzy właściwą wydmę, której zbocze nawiewne ma kąt 5-12O, a zbocze powietrzne 20-35O.Ziarna piasku wleczone są wiatrem do szczytu wyniosłości, skąd przemieszczają się grawitacyjnie po zboczu podwietrznym tworząc kąt odpowiadającą zsypowi piasku suchego.Wydmy układają się w formy podłużne występujące w obrębie wielkich dolin rzecznych i na pustyniach. Wydmy na obszarach pustynnych ulegają stałemu przemieszczaniu pod wpływem wiatru- WYDMY WĘDRUJĄCE. Wysokość wydm na obszarach pustynnych, np. Sahary dochodzi do 150-300m.

Lessy- są produktem akumulacji eolicznej o dużej drobnoziarnistości(ziarna <0,08mm). Less składa się z:drobnych ziarn kwarcu(60-80%), węglanu wapnia (10-25%) minerałów ilastych(10-30%).

Lessy ulegają zmianom geotechnicznym pod wpływem wód opadowych, przez co less staje się gliniasty. W stanie suchym jest dość zwięzły- tworzy nawet pionowe ściany o dużej stateczności jednak z uwagi na dużą porowatość łatwo ulega zniszczeniu pod wpływem wody.

Charakterystyczne właściwości lessów

polegające na osiadaniu zapadowemu często powoduje szkody budowlane, które wzmagają się wtedy jeśli podłoże budowlane nie jest dobrze zabezpieczone przed działaniem wody.

Diageneza skał okruchowych

procesy zachodzące w środowisku nagromadzonych okruchów skalnych i prowadzace do przemiany osadu luźnego w scementowaną skałę- kt. po przjściu takiego procesu staje się skałą zwięzłą.

Proces ten można podzielić na etapy:

- kompakcja- proces zachodzący pod wpływem nacisku wyżej leżących skał na niżej położone(następuje zagęszczenie osadu i zbliżenie poszczególnych odruchów skalnych)- twardnienie koloidów- proces polegający na utracie wody przez substancje koloidalne, co powoduje ich twardnienie(cementacje okruchów odruchów wzrost wytrzymałości osadów).- rekrystalizacja- polega na wytrąceniu się z wody rozpuszczonych w niej składników i zw. Chemicznych dodatkowo cementujących okruchy skalne.- sylifikacje- zjawisko polegające na przesycaniu twardniejącego osadu bezpostaciową krzemionką.

Praktyczne znaczenie skał osadowychSkały osadowe mają ważne zastosowanie w gospodarce:- Zawierają surowce energetyczne, min. węgiel kamienny i brunatny, ropę naftową i gaz ziemny- Surowce dla przemysłu chemicznego, szklarskiego, hutniczego- Stosowane w budownictwie jako bloki budowlane i okładzina elewacji budynków- Są surowcem do produkcji ceramiki- Stosowane jako kruszywa do betonów oraz podsypki nawierzchni drogowych i torów kolejowych.

Na techniczne właściwości skał osadowych wpływają niekorzystnie zaburzenia tektoniczne, spękania i przesunięcia wzdłuż płaszczyzn uskokowych, a także takie procesy jak powstanie osuwisk, zjawiska krasowe i inne, powodują dość istotne zmiany właściwości geotechnicznych masywów skalnych.

Przy badaniach geotechnicznych skał osadowych należy znać rodzaj budowli i jej wymagania odnośnie posadowienia, bo ułatwia to oceną poszczególnych czynników geologicznych z punktu widzenia budowlanego.

SKAŁY METAMORFICZNEPowstają w głębi skorupy ziemskiej przez przeobrażenie skał magmowych lub osadowych. Przebieg procesów przeobrażeniowych zależy od głębokości, na jaką został dany masyw skalny pogrążony.

W zależności od głębokości wyróżnia się 3 strefy metamorfizmu:Strefa metamorfizmu Głębokość [km] Ciśnienie [MPa] Temperatura [C0]Epi 6-10 160-270 100-300Mezo 10-20 270-540 300-500Kata 20-30 540-800 500-800

Wyróżniamy 3 rodzaje metamorfizmu: Termiczny(kontaktowy)- powstaje w miejscu zetknięcia się skał z gorącą magmą.

Następuje wtedy przeobrażenie struktury pierwotnej i jej składu mineralnego (powstają gnejsy i kwarcyty),

Dyslokacyjny- zachodzi podczas ruchów tektonicznych przy udziale ciśnienia warstwy nadległych w płytszych częściach skorupy ziemskiej(powstanie łupków dachówkowych),

Hydrotermalny- przebiega pod wpływem ciepłych roztworów wodnych pochodzenia magmowego, prowadząc do powstania koncentracji mineralnych.

Ważniejsze minerały skałotwórcze skał metamorficznych

Skały metamorficzne zbudowane są z minerałów skał pierwotnych minerałów powstałych podczas metamorfozy- na drodze nowej krystalizacji.Do minerałów pierwotnych, które nie uległy zasadniczym zmianom należą: kwarc, miki, amfibole i pirokseny.

W większym stopniu ulegają przeobrażeniu skalenie(bardziej sadowo-wapienne- plagioklazy). Powstają w ten sposób inne zespoły minerałów o złożonej budowie(np. gnejs, kwarcyt).

Struktura i tekstura skał metamorficznych

Strukturę skał metamorficznych tworzą ziarna powstałe w warunkach metamorfizmu(blasty). Jeżeli są jednakowej wielkości, mamy do czynienia ze strukturą hamoblastyczną. W przeciwnym wypadku jest to struktura heteroblastyczna.

Tekstura skał metamorficznych jest przeważnie kierunkowa, co uwidacznia się w równoległym ułożeniu plastrów. Jeśli w budowie przeważają minerały blaszkowe(np. muskowit, biotyt, serycyt) tekstura jest wtedy łupkowata. Skały maja także doskonałą łupliwość równoległą.

Charakterystyczne dla skał metamorficznych są także tekstury:

· Fałdowe- widoczne w formie drobnych sfałdowań, które powstały w wyniku dużego ciśnienia kierunkowego,

· masywna- podobna do krystalicznej struktury skał magmowych,· warstwowa- widoczna w skałach zbudowanych z naprzemiennych warstewek o różnych

minerałach.

Praktyczne znaczenie skał metamorficznych:- dzięki walorom dekoracyjnym i właściwościom wytrzymałościowym są szeroko stosowane w budownictwie,- najbardziej rozpowszechnione serpentynity, nefryty, marmury i gnejsy. Niektóre odmiany gnejsów maja ponadto właściwości porównywalne ze skałami magmowymi,- gnejsy używane są głównie jako materiał drogowy w postaci kruszywa łamanego, a niektóre odmiany stosuje się jako elewacje i bloki budowlane,- są doskonałym podłożem budowlanym dla budowli naziemnych(nie zaleca się w budownictwie wodnym- jest możliwość przepływu wody między szczelinami)

PROCESY GEOLOGICZNE I ICH ZNACZENIE W GEOTECHNICE

PROCESY EGZOGENICZNETo procesy zachodzące na powierzchni Ziemi wywołane zarówno czynnikami zewn. i jak i zachodzącymi we wnętrzu Ziemi.Na podstawie procesów geologicznych mają wpływ czynniki zewn. tj.: wpływ temp., opadów, wód płynących po powierzchni, czy krążących w skałach, życie organiczne.Działanie tych procesów może być niszcace jak i twórcze.

Dla geotechniki najważniejsze są niszczące, a więc te, które obniżają:- własności techniczne skał,- wytrzymałość na ściskanie,- rozciąganie,- ścinanie,- zwiększenie odkształcalności.

WIETRZENIE FIZYCZNEJest procesem prowadzącym do rozpadu skał. Polega na współdziałaniu czynników takich jak woda, zmiany temperatury i mechaniczne działanie organizmów. Przy pow. w szczelinach i porach skalnych znajduje się woda, która zamarzając powiększa swoją objętość o ok.9%, co powoduje zmianę stanu naprężeń- ułatwia to rozpad na mniejsze i większe bloki.Jeżeli w skale wszystkie wolne pory i spękania wypełnione są wodą to w temp. -100C ciśnienie dochodzi do 10MPa, a w temp. -220C wynosi 210MPa.Na niszczenie skał ma również wpływ wysoka temp. Skała w ciągu dnia nagrzewa się do pewnej głębokości- w zależności od temp., głębokość nagrzania może wynosić nawet kilka metrów. W nocy następuje gwałtowne ochłodzenie pow. nagrzanej skały. Ochłodzona szybko warstwa powierzchniowa gwałtownie kurczy się, przez co zmniejsza swoją objętość w stosunku do jeszcze nagrzanej warstwy leżącej niżej. Na pow. skał powstają pewne pęknięcia, przeważnie radialne. Powtarzanie się tych procesów powoduje wypadanie bloków różnej wielkości a nawet wypadanie odrębnych minerałów, np. kwarcu. Proces rozpadu skał nazywamy eksfoliacją lub łuszczeniem skał, a wypadanie odrębnych minerałów dezintegracją granularną.Działanie wody i temp. w różnych warunkach klimatycznych powoduje blokowy rozpad skał. Proces ten jest wspomagany także przez korzenie drzew i krzewów, które rozchodzą się szczelinami, wywierają nacisk na skałę i przyspieszają jej rozpad.

Kolejny ważny czynnik wietrzenia fizycznego to pęcznienie i skurcz minerałów ilastych. Minerały ilaste pod wpływem wody zwiększają swoją objętość czasem nawet b.znacznie, tak w przypadku iłów montmorylonitowych. Pod wpływem wyższej temp. natomiast zachodzi zjawisko odwrotne Działanie wody i temp. W różnych warunkach klimatycznych powoduje blokowy rozpad skał. Proces ten jest wspomagany także przez korzenie drzew i krzewów, które rozchodzą się szczelinami, wywierając nacisk na skałę i przyśpieszają jej rozpad. Kolejny ważny czynnik wietrzenia fizycznego to pęcznienie i skurcz minerałów ilastych. Minerały ilaste Pd wpływem wody zwiększają swoją objętość czasem nawet bardzo znacznie, tak jak w przypadku iłów montmorylonitowych. Pod wpływem wyższej temp. Natomiast zachodzi zjawisko odwrotne i minerały ilaste tracą wodę ulegając skurczom. Powoduje to

zmiany stanu naprężenia i prowadzi do rozpadu skał. Ciśnienie pęcznienia zależy od minerałów ilastych i wynosi ok. 2Mpa. Zjawisko pęcznienie i skurczy powtarzające się cyklicznie powoduje destynekcje skał ilastych lub zawierających ilaste przewarstwienia. Może sięgać do 100m. Czynnikiem przyśpieszającym wietrzenie fizyczne jest nakładanie się pęcznienia i skurczu w czasie zamarzania i rozmrażania skał.

WIETRZENIE CHEMICZNEPolega ono na działaniu czynników chemicznych, które zmieniają petnograficzny charakter skał i powodują często powstanie nowych minerałów mających zasadnicze znaczenie przy ocenie podłoża budowlanego. Główną idę w wietrzeniu chem. Odgrywa woda, która krążąc w przyrodzie zmienia swoje właściwości. Staje się ona wtedy bardziej aktywna wobec skał w zależności od PH środowiska i może powodować rozpuszczanie niektórych ich składników. Duże znaczenie ma zdolność wody do dysocjacji elektrolityczne.Pod wpływem wody zachodzą w skałach następujące procesy: utlenianie, redukcja, uwęglanowienie, kaolinizacjaKaolinizacja ma największe znaczenie dla budownictwa, bo powoduje rozkład skał magmowych, w czynniku tego powstają nowe minerały zwane ilastymi. Proces ten nazywa wietrzenie ilaste (skały nieprzydatne jako materiały budowlane bo podlegają procesom pęcznienia i skurczu) W czynniku wietrzenia część jego produktów jest odprowadzona przez obręb skały wietrzejącej, a część pozostaje na miejscu wzbogacona w określone składniki mineralne. Pozostałość ta nazywa się eluwium i tworzy ją przeważnie gliny zwietrzelinowe. W wyniku erozji gliny zwietrzelinowe są rozmywane a różno ziarnisty materiał ulega wyselekcjonowaniu i przemieszczeniu w nisze partie zbocza. Zgromadzony materiał nosi nazwę deluwium. Kolejnym wietrzeniem chemicznym jest wietrzenie laterytowe, polegającym na powstaniu czystych wodorotlenków żelaza i glinu, których glin jest chemicznie związany z krzemionką . Może też się zdarzyć, że w tym procesie krzemionka jest częściowo rozpuszczana i odprowadzana ze środowiska skalnego objętego wietrzeniem. W wyniku wietrzenia ilastego powstają złoża kaolinów a laterytowego złoża boksytów. Rozkład produktów wietrzenia (w przypadku wietrzenia fizycznego i chemicznego) w zależności od głębokości uwidacznia się na profilu wietrzenia. Można w nim wyróżnić cztery strefy:-monolitowa-znajduje się bezpośrednio ponad strefą skały pierwotnej niepodanej działaniom procesów wietrzeniowych. Uwidaczniają się w niej spękania powstałe w wyniku rozprężania się masywu. Skały w tej strefie maja tez mniejsza wytrzymałość mechaniczna w stosunku do skały macierzystej .- bloków – posiada znacznie większą ilość spękań wietrzeniowych niż strefa monolitowa. Szczeliny dzielą skałę na stykające się ze sobą bloki. Skład mineralny i struktura skały nie ulegają zmianom w tej strefie.- gruzu i piasku- charakteryzuje się występowaniem brył zanurzonych w ziarnistej masie tworzących rodzaj gruzu. Bryły te mogą być uporządkowane (szczególnie w innych partiach strefy) lub nieuporządkowane. W trakcie wietrzenia bryły pomniejszają swe rozmiary, a ich ostre krawędzie zaokrąglają się znacznie powierzchnie właściwa wietrzejącego materiału skalnego.- pyłów i iłów- występują w niej największe rozdrobnienia i zmiana składu mineralnego. Składa się ona z minerałów wietrzeniowych. Grunty tej strefy mają małą wytrzymałoś na ściskanie i ścinanie Zależnie od wietrzonej skały w profilu wietrzenia mogą występować jedna lub dwie z pośród wymienionych stref.

EROZJA RZECZNAJest ona spowodowana grawitacyjnym ruchem wody rzecznej. Może przybierać postać erozji rzecznej.

-Wgłembnej (dennej) - która zachodzi za posrednictwem 3 podstawowych procesów: korazji, eworsji, kawitacji.

–bocznej - polega na podcinaniu lub podmywaniu brzegów. Efektem tego jest oberwanie się materiału (skalnego, ziemnego) i przesunięcie się ściany brzegu oraz dostawa nowego rumowiska do nowego potoku. Duże tempo erozji bocznej wiąże się z krętymi korytami rzek.

–wstecznej (źródliskowej) - zachodzi w strefie występowania źródła, gdzie pod wpływem spłukiwania powierzchniowego skierowanego ku niszy źródliskowej. Następuje wydłużenie koryta potoku.

EROZJA MORSKATen rodzaj erozji spowodowany jest falowaniem wody prądami morskimi przy wpływie wiatru, opadów, chemizmu wody. Największy wpływ na przebieg erozji ma falowanie powodujące niszczenie skał wybrzeża morskiego. Wyróżnia się dwa stadia rozwoju tej erozji:

- młodociane – w którym brzegi morskie stromo opadają w morze, a czynniki erozyjne działają bardzo intensywnie, prowadząc do utworzenia erozyjnego tarasu morskiego, który jest płaską powierzchnią przysypana luźnym materiałem rumoszowym, zamknięta od strony lądu stromą ścianą zwaną klifem.

- dojrzałe - które występuje po wytworzeniu się tarasu morskiego. Siła niszcząca fal zmniejsza się i nie są one w stanie usuwać z tarasu rumoszu skalnego tylko przesuwają ją w stronę klifu. Erozyjna działalność morza może mieć również charakter twórczy np. proces wywołany ukośnym uderzeniem fali o brzeg i powoduje przemieszczenie masy piasku w kierunku wschodnim, co prowadzi do powstania mierzei.

ABLACJA Jest działaniem erozyjnym opadów deszczu, które łatwo erodują osady pylaste tworząc okrągłe zagłębienia, które przy intensywnych opadach są rozmywane. Zjawisko to szczególnie łatwo można zauważyć na skarpach drogowych. Ablacja utrudnia prowadzenie takich robót ziemnych jak: wykopy drogowe, odkrywki górnicze oraz wszelkie wykopy fundamentowe. Może także zapoczątkować procesy niszczące zbocza tych obiektów. W strefach klimatycznych , w których występują nawalne deszcze strugi wody mogą erodować nawet skały zwięzłe. Procesy ablacyjne maja charakter selektywny, polegający na wymywaniu najdrobniejszych frakcji przez co działają niszcząco no gleby uprawne.

POWIRZCHNIOWE RUCHY MASOWERuchy te można podzielić na trzy grupy:

-spływy powstające wtedy, gdy nastąpi nasycenie wodą warstw przypowierzchniowych najczęściej gruntów gliniastych albo pylastych. Możliwe jest wtedy przemieszczanie się gruntu zamienionego w półpłynna masę spływającą w dół zbocza o nawet stosunkowo niewielkim kącie nachylenia. Nasycenie gruntu wodą i spływy powstają w okresie roztopów albo po długotrwałych deszczach. Do spływów zaliczamy także spełzywanie polegające na bardzo powolnym przemieszczaniu się gruntów pod wpływem siły ciężkości.

- zsuwy lub osuwiska. Występują wtedy przemieszczenia znacznych mas skalnych ze stosunkowo dużą prędkością. Zsuwy powstają najczęściej w skałach sfałdowanych w górach, a zwłaszcza jeżeli występują tam kolejno warstwy przepuszczające i nieprzepuszczające wodę. Przyczyną przemieszczania się materiału skalnego jest często podcięcie zbocza, co zmniejsza wartośc sił utrzymujących .

Typy osuwisk:

a) Skały jednorodne

b) Skały nachylone wielowarstwowe

c) surfozyjne

- obrywy – oderwanie i osunięcie dużych mas skalnych z dużą prędkością ( do 150 m/s ). Warunkiem jest duży kąt nachylenia. W skałach litych i niektórych gruntach spoistych występują zbocza pionowe, a niekiedy nawet przewieszone. Podcięcie zboczy może nastąpić przez rzekę, lodowiec, kipiel morską, a wskutek zmniejszenia wartości tarcia, przeciążenia lub wstrząsów może nastąpić gwałtowne oberwanie się mas skalnych.

Czynniki powodujące powierzchniowe ruchy masowe

1. fizyczno – geologiczne2. geologiczno dynamiczne3. antropogeniczne

Ad.1Jednym z najważniejszych czynników Fizyczno-geologicznych jest woda, temperatura i wiatr, których obecność ma decydujący wpływ na własności gruntów.

Ad.2Do czynników geologiczno-dynamicznych zaliczamy:-erozja wód powierzchniowych-wietrzenie chemiczne(hydratacja,hydroliza,karbonatyzacja)-wstrząsy sejsmiczne-ruchy tektoniczne-działanie biologiczne zwierząt, roślin, bakterii

Ad.3Do czynników antropogenicznych zaliczamy:-powstanie ciśnienia w porach-uszkodzenia kanałów i przewodów-obciążenia statyczne i dynamiczne-zabiegi techniczne(iniekcji,kotwienie,wykopy,instalacje)-uprawa roli

Zasady obliczania statyczności zboczy (bzdury)

Główną siłą dążącą do zniwelowania zbocza jest siła „G”- jej wartość wiąże się z wielkością nachylenia kąta nachylenia zboczaPrzeciwstawia się tej sile „G” wytrzymałość gruntu.

Utrata stateczności zbocza – może nastąpić, gdy wartość sił zsuwających przekroczy wartość siły

τt = σn tgФ +c

Gdzie:τt-wartość naprężenia ścinającego w chwili zniszczenia(Pa)σn-war.naprężenia normalnego, Ф,C –parametry prostej Coulomba(kąt tarcia wew. i spójności)

Innym kryterium wytrzymałości gruntu stosowanym do skał zwięzłych jest kryterium Griffitha:

т2=4To(To-σ)

gdzie: т –naprężenia ścinające(Pa), σ-napręzenia normalne, To-wytrzymałość na jednoosiowe rozciąganie(Pa)

Uwzględniając pełzanie gruntów – nie możemy stosować kryteriów Coulomba i Griffitha, ponieważ pełzające grunty zachowują się jak lepka ciecz i istnieje konieczność wykonywania badań reologicznych dla określenia zależności pomiędzy naprężeniem ścinającym i prędkością odkształceń.

W praktyce stosując się kryterium Coulomba dla zsuwu konsekwentnego przy określeniu wartości współczynnika bezpieczeństwa „F” jako ilorazu wartości sił utrzymujących do sił powodujących przesuniecie:

F= GcosαtgФ+cosec /Gsinα

Dla G=1/2γnH2 [sin(β-α)/sinβsinα

F=[tgФ/tgα]+ 2Csinβ/γnHsin(β-α)sinα

Dla C=0 F=[tgФ/tgα] lub tgФ≥tgα=tgβ

Ostatni wzór można stosować dla zboczy gruntów zbudowanych z piasków i nie jest on zależny od wys. zbocza. Przy przepływie wody gruntowej należy uwzględnić wartości ciśnienia spływowego i dla najbardziej niekorzystnego przypadku możemy otrzymać:

tgФ≥2tgα lub α=β=Ф/2

W przypadku niemożności przyjęcia poślizgu po płaszczyźnie przyjmuje się założenia kołowo-cylindrycznej powierzchni poślizgu określenia wartości współczynnika bezpieczeństwa

F=ΣMu/ΣMp, F=тś/σś

Do głównych technik obliczeniowych możemy zaliczyć:

-metode Taylora, która odnosi się do zboczy zbudowanych z gruntów jednorodnych-metode Felleniusa polegająca na podziale osuwającej się bryły na szereg pionowych pasków i pominięciu sił działających miedzy paskami (to uproszczenie może być źródłem dość dużych błędów)-metody Bishopa, Nonvieilera i Janbu, które uwzględniają zarówno równowagę sił działających na cały przesuwający się blok, jak i wydzielone paski. Jednakże wymagają one dużego nakładu pracy i zastosowania komputerów o dużej mocy obliczeniowej.

Osuwiska podmorskie

powstaja one przeważnie w obszarach akumulacji dużej ilości materiału, głównie w obszarach deltowych przy ujściu dużych rzek. Główną przyczyną tego typu osuwiska może być duży kąt nachylenia stropowej powierzchni tworzącego się osadu lub podcięcia erozją morską. Działają także czynniki dodatkowe tj. kształt powierzchni dna morskiego, zaburzenia robotami budowlanymi itp.Współczesne osuwiska podmorskie mogą tworzyć zagrożenia dla obiektów morskich:falochronom, kanałom żeglowym,itp. –dlatego wszelkie roboty budowlane w strefach przybrzeżnych należy poprzedzić specjalistycznymi badaniami geologiczno-inżynieryjskimi.

Procesy i zjawiska kresowe

polegają na rozpuszczeniu skał wapiennych, dolomitycznych, marglistych, anhydrytów i gipsów przez wodę krążące w ich obrębie. Najcześciej jednak zachodzą one w skałach wapiennych.

W zależności od stopnia rozpuszczalności skał wyróżnić można kres:

-Solny bardzo łatwo rozpuszczalnych solach potasowych, solachkompleksowych i soli kuchennej

-siarczany w łatwo rozpusz. Gipsach i anhydrytach

-węglanowy w wapieniach i dolomitach

-skał klastycznych o obfitym rozpuszczalnym w wodzie spoiwie-cieście

-rudny w trudno rozpuszczalnych w wodzie złożach, występujących w kopalniach żelaza i miedzi

-mieszany

Bardzo ważnymi czynnikami są również natura skały, rozpuszczalnika i warunki, w których rozpuszczanie zachodzi. W zależności od głębokości położenia kresu można wyróżnić:

-kras nagi, gdy stop krasowiejącego masywu stanowi powierzchnie terenu

-kras podgłebinowy, strop krasowiejącego masywu występuje pod cienką warstwą gleby (do2m)

-kras zakryty, strop krasowego masywu pokryty jest nadkładem o miąższości większej niż 2m.

W przypadku kresu nagiego i zakrytego woda opadowa z łatwością dostaje się do krasowego systemu odwodnienia. Tak wiec cechą charakterystyczną tych kresów jest bardzo słabo rozwinięta sieć rzeczna.

Do najważniejszych form krasowych zaliczamy:

-korytarze i groty podziemne ciągnące się nawet kilkanaście kilometrów wykształcone w różny sposób

-leje kresowe powstają przez zawalenie się stropów grot i jaskiń występujących pod powierzchnią terenu na niewielkiej głębokości

-uwały są formą dolną powstałych przez połączenie kilku lejów

-ponory zagłębienia będące poszerzonymi przez płynące wody szczelinami

-organy krasowe (wieżowy) słupowe formy powstałe przez kierunkowe wymywanie stropowej powierzchni wapieni

Przekrój przez zapadlisko krasowe:1.Górna warstwa zwietrzelin2.Wapń3.Lej krasowy4.Osady krasowe5.Jaskinie krasowe6.Słup krasowy7.Skała nieulegająca rozpuszczeniu

Rys. krasy i w ogóle

Z geologicznego i geotechnicznego punktu widzenia obszary krasowe zawsze były uważane za tereny nie nadające się pod budowę dużych obiektów- zwłaszcza przemysłowych.Na tych terenach należy się liczyć z niebezpieczeństwem nagłych zawaleń jaskiń oraz dużymi różnicami w osiadaniu budowli.

Budowa posadowienia na terenie skrasowiałym będzie należycie funkcjonować tylko wtedy gdy jej podłoże zabezpieczone będzie przed wpływem czynników wspomagających wzmagających te procesy.Najważniejszym takim czynnikiem są wody opadowe oraz wody przemysłoweJeżeli oba te rodzaje wód będą bezpośrednio inflirtować w podłoże to proces krasowy może silniej się rozwijać.

Procesy krasowe to nie tylko rozpuszczająca działalność wód. W miarę ubytku wapnia- szczególnie w systemie organów krasowych- następuje stałe stopniowe zagęszczanie zwietrzeliny. Budowa pod wpływem tego procesu będzie nierównomiernie osiadać lub nawet może ulec zawaleniu.

(PRZYKŁAD: w pl.budownictwie, PRZYCZYNY: na terenie zakładu hutniczego na wskutek wadliwie wykonanych urządzeń odwadniających następowała stały jej dopływ w podłoże gruntowe, EFEKT: nastąpiło wypłukanie materiału wypełniającego kominy krasowe. Po pewnym czasie zauważono osiadanie niektórych obiektów huty. SKUTEK: obiekty zostały wyłączone z eksploatacji na dłuższy czas)

PROCESY ANTROPOGENICZNEPowstają w wyniku działalności człowieka, która narusza układ warstw geologicznych i powoduje zmiane ich właściwości fiz. oraz mech. przyspieszając tym samym procesy wietrzenia.

Procesy te są wynikiem:

- eksportacji górniczej; działalności podziemnej i odkrywkowej; prowadzenie robót ziemno- budowlanych, takich jak tunele i głębokie tunele budowlaneNajwiększe znaczenie mają skutki eksploatacji złóż w kopalniach podziemnych.Do procesów antropogenicznych powodujących trwałe zmiany właściwości fiz. i mach. gruntów należą:

- wyciskanie podłoża wokół hałd kopalnianych; Rozluźnienie gruntów i zmiany ich właściwości pod wpływem sztucznych wybuchów; Podtopienia wokół sztucznych zbiorników wodnych; Składowanie odpadów, które są częstą przyczyna uaktywnienia się procesów fiz. i chem.powodujących skażenie wód i zmiany właściwości fizycznych.

PROCESY ENDOGENICZNE Do procesów endogenicznych należą zjawiska tektoniczne, sejsmiczne zachodzące

wewnątrz Ziemi i ułatwiające niszczenie warstw skalnych na jej powierzchni. Ich geneza wiąże się z bardzo skomplikowanymi procesami przemieszczania się kontynentów, dużymi ciśnieniami oraz zmianami termicznymi wewnątrz Ziemi.

Ich wynikiem były ruchy górotwórcze w przeszłości, a obecnie są zjawiska sejsmiczne, które są potwierdzeniem ciągłości tych procesów. Ruchom górotwórczym towarzyszą wulkany i intruzje magmowe.

Deformacje tektoniczne→ pod wpływem nacisków górotwórczych, skały ulegają trwałym odkształceniom plastycznym bądź rozkruszaniu. Dlatego do analizy ich zachowania, przyjmowane są różne modele ciała sprężystego, plastycznego i kruchego. W wyniku działania różnych sił, skały mogą być poddawane różnym obciążeniom np. ściskaniu, rozciąganiu, zginaniu, ścinaniu czy okręcaniu. W skutek tego dochodzi do powstawania różnych deformacji wyrażających się zmianą kształtu ułożenia i przerwania warstw, powstawaniem uskoków, spękań a nawet całkowitym rozkruszeniem i zniszczeniem struktury jak i tekstury skał i gruntów.

Trwałymi skutkami działania sił tektonicznych na skały są:

deformacje tektoniczne ciągłe→ odkształcenia plastyczne w formie fałdów, w których nie nastąpiło przerwanie warstw skalnych. Powstają one w czasie ruchów tektonicznych

lub w wyniku nacisku lodowca

Budowa fałdu

deformacje tektoniczne nieciągłe→ polegają na rozerwaniu warstw skalnych i przesunięciu pionowym i poziomym. Płaszczyznę rozerwania nazwano uskokiem. Jeżeli między dwoma uskokami nastąpi obniżenie terenu, formę taką nazywam rowem tektonicznym, a jego skrzydła zrębami.

Rys. Elementy uskoku

Oś antykliny

Oś synkliny

Antyklina Synklina

Wynikiem deformacji nieciągłych jest również kliważ→ jest to podzielność skał na cienkie płytki ułożone skośnie do powierzchni warstwowania. Kliważ jest charakterystyczny dla skał intensywnie sfałdowanych. W przegubach antykliny kliważ jest rozwarty a w synklinach zaciśnięty. Fakt ten ma duże znaczenie np. dla lokalizacji zapór wodnych.

Intensywność spękania skał, których zespoły nazywa się masywem skalnym, określa się jako szczelinowatość i cechuje ją: orientacja przestrzeni (bieg i upad) liniowe wymiary spękań (długość i rozwartość) stopień spękania masywu skalnego stopień rozdzielności masywu skalnego porowatość szczelinowa cechy fizyczne powierzchni spękań

Zjawiskami sejsmicznymi nazywamy okresowe wstrząsy występujące w skorupie ziemskiej. Przyczyną trzęsień Ziemi jest wyzwalanie się skondensowanej energii wewnętrznej. Wewnątrz Ziemi bez przerwy przebiega przemieszczanie magmy wywołane różnymi przyczynami. Najważniejszą z nich jest konwekcja. Procesy te powodują powstawanie naprężeń, które mogą się akumulować, a po przekroczeniu wytrzymałości na ciśnienie następują pęknięcia, których skutkiem są trzęsienia ziemi. Ognisko trzęsień znajduje się na głębokości 30-40 km, gdzie temperatura przekracza 600○C a ciśnienie pionowe 600 MPa.

Obok trzęsień sejsmicznych występują też wstrząsy wywołane innymi czynnikami naturalnymi: pływami, cyklonami, uderzeniami fal o sztywne brzegi morskie, ruchem wirowym Ziemi, osuwiskami oraz czynnikami antropogenicznymi, spowodowanymi inżynierską działalnością człowieka. Te ostatnie noszą nazwę wstrząsów indukowanych, których przyczynami są:

podziemne roboty górnicze napełnienie zbiorników wodnych i wahania w nich zwierciadła wody wtłaczanie wody w otwory wydobywanie cieczy i gazu z podłoża górnictwo odkrywkowe podziemne wybuchy

Rys. Przebieg fal sprężystych gruncie:

a) widok z boku b) widok z góry P: fale podłużne, S- fale poprzeczne i powierzchniowe, R- fale Rayleigha, L- fale Love’a

Fale poprzeczne→ (S ) mogą rozchodzić się tylko w ciałach stałych, dlatego nie obserwuje się ich w powietrzu i wodzie. Ze względu na sposób rozchodzenia się, fale powierzchniowe mają mniejsze straty energii( ich amplituda zmniejsza się proporcjonalnie do ½ r , natomiast fal T i S proporcjonalnie do 1/r, gdzie r- droga przebiegu fali. Prędkość rozchodzenia się fal P i S opisują równania:

Rys. wzoru

Ogólnie możemy zapisać, że Up>Us i dla ośrodka gruntowego ...

Najważniejsza część akumulowanej energii przekształca się w pracę mechaniczną i ciepło, a tylko kilka procent zostaje wyemitowane w postaci fal sejsmicznych. Hipotetycznie punkt, z którego biorą początek fale sejsmiczne nosi nazwę hipocentrum, a punkt znajdujący się nad nim na powierzchni Ziemi to epicentrum. Rozprzestrzeniające się fale przechodząc przez różne warstwy doznają zmian amplitudy i częstotliwości. Tak, więc zarejestrowana w danym miejscu fala sejsmiczna dostarcza informacji zarówno o źródle wstrząsów jak i o właściwościach warstw, przez które przebiegała.

Procesy geologiczne działające w przeszłości geologicznej Ziemi wpłynęły na budowę powierzchni skorupy ziemskiej, którą dziś badamy i analizujemy dla potrzeb budownictwa. Pomimo, że procesy te zachodzą stale, ze względu na ich powolny przebieg nie jesteśmy w stanie śledzić bezpośrednio wszystkich zachodzących zmian. Badając obecnie skały i oceniając je pod względem technicznym rozpoznajemy wszystkie czynniki, jakie złożyły się na ich powstanie, a więc: właściwości, budowę, historię, okoliczności powstania skały (genezę).

WŁAŚCIWOŚCI SKAŁ I GRUNTÓW

Grunt niezależnie od tego jaki utwór geologiczny spotyka się np. granit, piaskowiec, piasek czy glina to ma się do czynienia z gruntem budowlanym.

Skałą w praktyce nazywamy twardy, zwarty lub podzielony na bloki materiał→ podłoże( grunt) skalisteW laboratorium określa się zarówno właściwości fizyczne jak i mechaniczne pobranych próbek, dlatego pojęcie wytrzymałości odnosi się do odpowiednio uformowanej próbki gruntu lub skały. Natomiast do podłoża gruntowego czy masywu skalnego stosujemy pojęcie nośności lub stateczności.

Właściwości inżynierskie

Wytrzymałość – iloraz wartości odpowiednio skierowanej siły niszczącej próbkę do pola przekroju tej próbki

Przy badaniach próbek należy zwrócić uwagę na ANIZOTROPIĘ SKAŁ - różnice wartości wytrzymałości w różnych kierunkach (najczęściej w 3 do siebie prostopadłych). Wskaźniki anizotropii jest to stosunek wytrzymałości na ściskanie w kierunku prostopadłym do uwarstwienia.RCT do kierunku równoległego do uwarstwienia

RcII Ka = RCT/RcII

Przemienność skał i gruntów

Przez to pojęcie należy rozumieć zmianę ich właściwości pod względem bezpośredniej działalności człowieka lub też wskutek wzmożenia procesów geologicznych wywołanych ta działalnością.

W praktyce przemienność skał i gruntów wykonywana jest do zwiększenia nośności gruntów podłoża np. poprzez:

- obciążenia statyczne;- wibrowanie;- ubijanie mechaniczne;- zastosowanie wybuchów;

Z przemiennością gruntów wiąże się również kształtowanie mechaniczne obiektów wykonywanych z gruntów (zapory, obwałowanie, groble, nasypy, itp.)

Klasyfikacja skał

Nie opracowano jeszcze całościowej klasyfikacji geotechnicznych dlatego dla potrzeb budownictwa stosuje się klasyfikację geologiczną, ale z opisem wszelkich zmian postgenetycznych, które wpływają na zmianę właściwości fizyczno - mechanicznych skał, tj.:- strukturę i teksturę;- gęstość;- porowatość i szczelinowość;- wytrzymałość na (rozciąganie, ścinanie, zginanie, ściskanie);- twardość;- urabialność;- właściwości cieplne;

klasyfikacja protodiakonowa - Do niektórych niepełnych klasyfikacji sformowanych w działach budownictwa (bud. Podziemne) należy klasyfikacja protodiakonowa i odnosi się do wskaźnika zwięzłości skał (określany jako opór skał przeciw siłom zewnętrznym i stanowi kombinacje elementarnych oporów przy rozciąganiu, ścinaniu, ściskaniu).Na potrzeby budownictwa często dokonuje się klasyfikacja skał na podstawie badań geologicznych, np.: metodę sejsmiczną - ustalenie prędkości fal sejsmicznych (Elektrownia Porąbka - Żory).

Wytrzymałość skał, najważniejsze badania:- ściskanie jednoosiowe;- ściskanie przy użyciu próbek nieforemnych;- na ściskanie w trójosiowym stanie naprężenia;- rozciąganie, ścinanie;- zginanie, odkształcenia skał;

HYDROGEOLOGIAObieg wody w przyrodzie i powstanie wód podziemnych. Niekorzystny wpływ wody na budownictwo jest związany z:- utrudnieniem w prowadzeniu robót budowlanych;- obniżeniem właściwości fizycznych i mechanicznych gruntów i skał;- n niekorzystny wpływ na fundamenty budowli przez agresywne niszczenie składników betonu;

rys. krążenie wody

Przenikanie wody w obręb warstw skalnych (wsiąkanie, infiltracja) zależy od:- przepuszczalności gruntów i skał;- urzeźbienia terenu;- temperatury powietrza;- niedosytu wilgotności powietrza;- pokrycia szatą roślinną;- nasycenie wodą środowiska skalnego;- przemarzanie gruntu;- działalności człowieka;- wskaźnika infiltracji;

Ie – infiltracja efektywna [mm]P – opad z wielolecia [mm]

Składniki z bilansu wodnego:- opad;- dopływ;- parowanie;

ZWIERCIADŁO WÓD PODZIEMNYCH - górna powierzchnia warstwy, która jest nasycona wodą.STREFA AERACJI - jest to strefa występująca powyżej zwierciadła wód z której wolne przestrzenie wypełnione są częściowo powietrzem i wodą o różnej postaci.STREFA SATURACJI - jest to warstwa nasycona wodą.

Rys. woda i w ogóle

Podział wód podziemnych

Strefa Typy wody Stan fizyczny wody

Rodzaje wody

Aeracji

HigroskopijneKapilarne

błonkowateZwiązane Porowe

WsiękoweZawieszone

Wodne

Porowe

Szczelinowe

KrasoweS

aturacji

PrzypowierzchnioweGruntoweWgłębneGłębne

WODA HIGROSKOPIJNA - gromadzi się na powierzchni ziaren skalnych i cząstek koloidalnych na zasadzie adsorpcji drobin wody.

WODY BŁONKOWATE - powstają przez wiązanie drobin wody ciekłej przemieszczającej się przez pory skalne. Proces ten zachodzi pod wpływem działania sił elektrycznych miedzy cząsteczkami ziaren skalnych a drobinami wody, które ulegają dipolowej polaryzacji.

Dipole wody są przeciągane przez jony jakie tworzą ziarna mineralne np.. iłu, pyłu, itp. W procesie przyciągane jony orientują kierunkowo dipole wody z ładunku + lub – i wiążą trwale na swojej powierzchni tworząc wodę

Rys. Polaryzacja cząsteczki wody

Zjawisko to przebiega zgodnie z prawami Koena przy przemieszczaniu się wzajemnym dwóch ciał, to które ma mniejszą wartość, mniejszą stałej dialektywnej ładuje się ujemnie.

Stałe diaelektryczne:

Woda - 81, siarka - 4, szkło - 58, dwutlenek siarki 15.powietrze - 1, bursztyn - 3, kwarc - 5,

WODA KAPILARNA - zjawisko kapilarnego podciągania wody można przedstawić na przykładzie podnoszenia się zwierciadła wody w rurce o niewielkiej średnicy. Dla danej wartości promienia rurki r. współczynnika napięcia powierzchniowego Ts i gęstości wody (gama). Wysokość podniesienia kapilarnego można obliczyć ze wzoru:

Do pomiaru wysokości podniesienia kapilarnego służą kapilarymenty Iurgeniona i BeskowaZasada ich działania polega na pomiarze wartości ciśnienia przy którym nastąpi przerwaniesię pęcherzyków powietrza przez nawodnioną próbkę gruntu.

Rys. kapilarymenty Iurgeniona i Beskowa

Wody wsiąkłe

Są to wody pochodzące z infiltracji opadów atmosferycznych. Część wody wsiąkanej jest związana przez siły międzycząsteczkowe, które nadają warstwie osadu - stan określonej wilgotności molekularnej. Pozostała część infiltruje głębiej.

WODA ZAWIESZONAJest to woda znajdująca się w strefie aeracji. Sprawiają one dość dużą trudność przy pracach fundamentowych (zawilgocenia podłoża, wlewają się do wykopów fundamentowych itp.)

WODY PRZYPOWIERZCHNIOWESą często zwane wodami zaskórnymi i występują dookoła zbiorników wodnych (jezior, rzek, bagien) - znajdują się one na niewielkich głębokościach (0,20 - 0,50 m) i często ich obecność jest związana z płytko występującymi nieprzepuszczalnymi warstwami geologicznymi.

WODY GRUNTOWEWystępują w strefie saturacji i ich zwierciadło wyznacza granica ze strefą aeracji.Głębokość występowania zwierciadła wód gruntowych jest zależna od budowy geologicznej i związanej z nią obecnością warstw porowatych lub szczelinowych.Wody te występują przeważnie na głębokościach 5 - 15 m od powierzchni terenu. Ich obecność jest związana z płytko występującymi nieprzepuszczalnymi warstwami geologicznymi.Ważnym parametrem w ocenie geotechnicznej jest znajomość wahań zwierciadła wód gruntowych.

WODY WGŁĘBNETo wody pochodzące z zasilania atmosferycznego warstw wodonośnych osłoniętych warstwami nieprzepuszczalnymi.Głębokość występowania tych wód jest różna i jest związana z miąższością strefy aktywnej wód atmosferycznych ( w Polsce 200 - 250 m)

Rys. zasilanie wód wgłębnych

Szczególnym przypadkiem wód wgłębnych są wody artezyjskie, które pozostają pod naporem ciśnienia hydrostatycznego spowodowanego nieprzepuszczalnością stropu warstwy wodonośnej. Woda występująca w warstwie wodonośnej znajduje się pod działaniem ciśnienia zwanego złożem lub pizometrycznym.

P – ciśnienie złożoneP0 – ciśnienie atmosferyczne

- gęstość wodyz - głębokość występowania stropu warstwy wodonośnej od powierzchni górnej

Występowanie wód artezyjskich

1.warstwy nieprzepuszczalne 2.warstwy wodonośne

rys.

Podstawowe właściwości hydrogeologiczne skał i gruntów.

Porowatość ogólna. Ruch wody w warstwach skalnych i gruntach może się odbywać dzięki istniejącym wolnym przestrzeniom zwanym porai i szczelinami o różnych wymiarach.

POROWATOŚCIĄ – nazywamy wszystkie wolne przestrzenie między ziarnami tworzącymi daną skałę lub grunt. Porowatość zależy od:- jednorodność uziarnienia;- kształt ziaren;- sposobu ułożenia ziaren;

POROWATOŚĆ EFEKTYWNA -Jest to część objętości porów, przez które może odbywać się ruch wody wolnej. Porowatość określa się także jako miarodajną.Porowatość efektywna określna się przez współczynnik porowatości wg wzoru

Ve – objętość czynnaV – objętość skały

Porowatość tą można oznaczyć laboratoryjnie - wysuszenie próbki w temperaturze 105C - 110C i nasycenie naftą w eksykatorze próżniowym; następnie należy zważyć próbki z naftą i w urządzeniu próżniowym z dokładnością do 0,01g.

ODSĄCZALNOŚĆ –

polega na oddawaniu wody wolnej przez skałę przy przepływie grawitacyjnym zgodnie ze wzorem.

- współczynnik odsączalnościVo – objętość wody odsączonej ze skałyV – objętość skałyOdsączalność uzależniona jest od wymiarów porów np.. w skałach drobnoziarnistych (iły, pyły, iłołupki) odsączalność jest bardzo mała.Współczynnik odsączalności można oznaczać laboratoryjnie przez stopniowe suszenie próbki skały nasyconej wodą od stałej masy w temperaturze 105C - 110C.

mn – masa próbki nasyconej wodąms – masa suchej próbki

PĘCZNIENIE GRUNTÓW – nazywamy proces zwiększenia objętości gruntów pod wpływem nasycenia wodą. Proces pęcznienia dotyczy głównie gruntów spoistych.Zdolność gruntów do pęcznienia może być okreslona wartością wskaźnika pęcznienia, ciśnieniem pęcznienia i granica nasiąkliwości. Wskaźnik pęcznienia oblicza się jako iloraz przyrostu objętości próbki gruntu po maksymalnym spęcznieniu do objętości pierwotnej.

Vs – objętość próbki gruntu po maksymalnym spęcznieniuV – objętość pierwotna próbki gruntu

FILTRACJA - jest to przemieszczanie (powolne przesączanie) się wody w skałach i gruntach porowatych zarówno w kierunku pionowym jak i poziomym. Proces ten traktuje się jako ruch laminarny lub warstwowy w którym cząsteczki wody poruszają się równolegle względem siebie i do wypadkowej kierunku ruchu.Z uwagi na trudność wyznaczania rzeczywistej prędkości przepływu, przepuszczalności określa się współczynnikiem filtracji, który wyraża się zależność między spadkiem hydraulicznym a prędkością filtracji. Ilość wody przepływającej przez środowisko porowate można obliczyć ze wzoru Darcy`ego.Q = k x l x Fk – współczynnik filtracjil – spadek hydraulicznyF – powierzchnia przekrojuPrędkość filtracjiV = k x lRównanie to wyraża podstawowe prawo filtracji nazwane prawem Darcy`ego lub liniowym prawem filtracji określającym zależności prędkości filtracji od spadku hydraulicznego w warunkach ruchu laminarnego.Prawa Darcy`ego się stosuje się do skał i gruntów o dużej porowatości i szczelinowości, ponieważ wtedy ruch cząstek wody jest zakłócony przez dodatkowe siły pulsacji i inercji, proporcjonalnie do kwadratu prędkości filtracji.

W ten sposób ruch laminarny przechodzi w ruch turbulentny a podstawowe prawo filtracji można zapisać.I = av + bv2

a,b – współczynniki zależne od charakteru przepływuv – prędkość filtracji

V=

Q – objętość wodyF – pole przekroju

Jeżeli człon bv2 jest nieskończenie mały w porównaniu z członem av Co występuje w warunkach ruchu laminarnego czyli przy małych prędkościach filtracji - może być pominięty.W warunkach ruchu turbulentnego można zapisać:jeżeli , a = 1/kWtedy można zapisać:

Znajomość współczynnika filtracji jest jednym z najważniejszych czynników fizycznym przy geotechnicznej ocenie podłoża budowlanego.

Ciśnienie spływowePrzepływająca w gruncie woda powoduje zmianę stanu naprężeń.Ogólna teoria cieczy opiera się na równaniu stanu, które wiąże ciśnienie z gęstością.Równanie ruchu ogranicza się tylko do przepływu ustalonego tzn. jeśli w każdym punkcie wody prędkość się nie zmienia mamy wtedy do czynienia ze statycznym polem wektorowym. Można więc narysować linie które są zawsze styczne do prędkości wody – są to linie prądu.Twierdzenie Bernoulliego podaje że wartość energii przypadającego na jednostkę masy wody można przedstawić w postaci sumy:

z – wysokość położenian i Qwg – wysokość ciśnieniav2 i 2g – wysokość prędkościEz – wysokość słupa wody w rurce