Инженерная геология. Учебник для строительных специальностей вузов

Рассмотрены главные принципы и законы инженерной геологии как науки о рациональном использовании геологической среды при строительстве. Изложены необходимые сведения из общей геологии, минералогии, петрографии, геоморфологии. Приведены принципиальные положения гидрогеологии. Подробно рассмотрены законы генетического грунтоведения. Оценены главнейшие физико-геологические и инженерно-геологические процессы, механизм их проявления и основные способы предотвращения и локализации. Приведены данные по региональным особенностям инженерно-геологической обстановки в Российской Федерации и других странах мира.

Изложены основные принципы инженерно-геологических изысканий для различных видов строительства, их организация, методы и способы осуществления, приведены основные приборы и оборудование, методология анализа и интерпретации данных в различных геолого-климатических районах.

Даны главные положения охраны геологической среды при строительстве.

Для студентов строительных специальностей вузов. Может быть полезен инженерам, а также преподавателям.

Данное издание претерпело определенные изменения на основе анализа использования 2-го издания учебника в учебном процессе многих вузов России. Книга написана в соответствии с вновь разработанной и утвержденной примерной программой дисциплины «Инженерная геология» согласно действующим примерным учебным планам подготовки дипломированных специалистов по направлению «Строительство» в рамках Государственного образовательного стандарта.

Учебник подготовлен на базе современных представлений об инженерно-геологической науке и ее новейших достижений. В данном издании переработан текст, обновлены материалы в соответствии со вновь введенной в действие нормативной литературой в области строительства, особенно такие разделы, как генетическое грунтоведение, основы гидрогеологии, охрана природной геологической среды. В третьем издании сохранена универсальность содержания учебника с целью использования студентами разных специальностей и направлений подготовки строителей и архитекторов. При определенных методических приемах учебник может быть полезен для студентов средних специальных учебных заведений.

Учебник может быть использован как методическое и практическое руководство инженерами-строителями в производственной и проектно-конструкторской деятельности, а также специалистами изыскательских организаций. 3-е издание учебника «Инженерная геология» рассматривается как базовый элемент учебно-методического и дидактического обеспечения данной дисциплины и предусматривает возможность использования как рекомендованного Министерством образования РФ учебного пособия «Задачи и упражнения по инженерной геологии» (С.Н.Чернышев, А.Н.Чумаченко, И.Л.Ревелис), так и внутривузовских учебных пособий и методических указаний, что в целом должно значительно повысить качество приобретаемых студентами знаний в инженерной геологии.Учебник ориентирован на использование преподавателями строительных вузов в их практической работе. При разработке 3-го издания учебника использованы иллюстративные и фактические материалы, любезно предоставленные проф. Милинко Васичем из Университета Нови Сад. В написании глав 9, 16, 25 и 34 принял участие профессор, канд. техн. наук Г.А.Паушкин. Авторы благодарят за помощь в редакционной работе над текстом учебника и составлением словаря ст. преп. Т.Г.Богомолову, а также за помощь в подготовке рукописи 3-го издания учебника инженеров И.О.Богомолову и А.В.Манько. Авторы признательны за ценные замечания и предложения, высказанные проф. В.М.Кутеповым, доц. Н.А.Филькиным, проф. В.И.Осиповым, проф. С.Н.Чернышевым, проф. И.В.Дудлером и др., позволившие улучшить структуру и содержание учебника.

Геология — комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движениях земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых. Основным объектом изучения, исходя из практических задач человека, является земная кора.

Геология входит в число основных естественных наук и в самостоятельную ветвь естествознания выделилась в XVIII — начале XIX века. К числу основоположников научной геологии правомерно относят великого русского ученого М.В.Ломоносова, а из зарубежных — Д.Геттона, Ч.Ляйеля и др.

В течение XIX века в геологии формируются самостоятельные научные дисциплины, имеющие в качестве объектов изучения отдельные геологические феномены. В частности, в России в развитие минералогии и петрографии весьма значительный вклад внесли В.М.Севергин, А.Н.Заварицкий, А.Е.Ферсман. Создание исторической и динамической геологии тесно связано с именами В.А.Обручева, И.В.Мушкетова, А.П.Павлова, А.Д.Архангельского, Н.М.Страхова.

К концу XIX века наступило время формирования таких молодых отраслей геологии, как гидрогеология и инженерная геология. Основной причиной их возникновения стало активное освоение под строительство новых территорий, необходимость запасов воды для промышленных целей. Главную роль в становлении этих дисциплин сыграли научные труды Ф.П.Саваренского, М.М.Филатова, В.В.Охотина, а из зарубежных — К.Терцаги.

В настоящее время геология является типичной естественной наукой, обладающей комплексным характером и состоящей более чем из двадцати научных дисциплин, например таких, как стратиграфия, тектоника, минералогия, петрография, литология, сейсмология, палеонтология, геокриология, учение о полезных ископаемых, геофизика, инженерная геология и гидрогеология и др.

В учебнике основное внимание сосредоточено на тех геологических дисциплинах, которые в той или иной мере связаны с вопросами строительства. Это минералогия и петрография — науки о минералах и горных породах; динамическая геология — учение о процессах, происходящих на поверхности и в недрах Земли; историческая геология, которая изучает историю развития Земли; гидрогеология — наука о подземных водах; геоморфология — дисциплина, изучающая развитие рельефа поверхности земной коры.

В прошлом столетии особое развитие получила инженерная геология — наука, изучающая свойства горных пород (грунтов), природные геологические и техногенно-геологические (инженерно-геологические) процессы в верхних горизонтах земной коры в связи со строительной деятельностью человека.

Становление инженерной геологии как самостоятельной отрасли геологии проходило в несколько этапов: первый этап, относящийся к концу XIX и первой трети XX в., характеризуется, в первую очередь, накоплением опыта использования геологических данных для строительства различных объектов, но особую роль при этом сыграло массовое строительство железных дорог в промышленно развитых странах мира. В России, например, в то время прокладывали железнодорожные пути через Кавказский хребет, строилась Транссибирская магистраль. Протяженность полотен дорог, значительное количество мостов и переходов, станционных сооружений позволили строителям познакомиться с весьма различными геологическими условиями на обширных территориях. Геология впервые стала находить практическое применение в решении конкретных строительных задач.

На втором этапе, во второй трети XX в., инженерная геология утвердилась как самостоятельная наука и стала необходимой и во многом неотъемлемой частью строительного производства. Инженеры-геологи приобрели необходимый опыт и разработали методики оценки свойств горных пород (грунтов) не только качественно, но и, что особенно важно для проектирования объектов, количественно. Появились нормы и технические условия на строительство в различных, в том числе и весьма сложных геолого-климатических условиях и при развитии опасных природных процессов (вечная мерзлота, сейсмические районы, лессовые просадочные грунты, оползнеопасные районы и т. п.). Начали функционировать специализированные инженерно-геологические изыскательские организации, оснащенные необходимым оборудованием, приборами и высококвалифицированными кадрами. Появились первые научные монографии по инженерной геологии (Н.В.Бобков, 1931 г., Н.Н.Маслов, 1934 г. и др.). Чрезвычайную роль в становлении инженерной геологии как науки сыграл труд Ф.П.Саваренского «Инженерная геология», в котором были обоснованы главные закономерности, определены методы и задачи инженерной геологии. В последующие десятилетия на развитие инженерной геологии важнейшее влияние оказали российские ученые — И.В.Попов, В.А.Приклонский, Н.Я.Денисов, Н.В.Коломенский, Е.М.Сергеев, В.Д.Ломтадзе, Л.Д.Белый и др.

Последняя треть XX в. является важнейшим этапом в развитии инженерной геологии, которая превратилась в самостоятельный весьма обширный раздел комплекса наук о Земле, способный решать сложнейшие задачи, обеспечивая строительство объектов в различных, в том числе самых трудных и неблагоприятных геологических условиях. В современных условиях инженерная геология изучает геологическую среду для целей строительства и для обеспечения ее рационального использования и охраны от неблагоприятных для человека процессов и явлений. Значительную роль в развитии инженерной геологии на данном этапе играют работы В.И.Осипова, В.П.Ананьева, В.Т.Трофимова, Г.К.Бондарика, И.С.Комарова, Г.С.Золотарева и других современных ученых. Развитие строительной деятельности и связанная с ним эволюция инженерной геологии приводит в настоящее время к сближению ее с комплексом экологических наук. Современная инженерная геология базируется на знаниях в области как естественных наук, таких, как физика, химия, высшая математика, биология, экология, география, астрономия, так и прикладных — гидравлика, геодезия, климатология, информатика и др.

Инженерная геология в классическом представлении включает три главные самостоятельные, тесно связанные между собой научные направления, изучающие три главных элемента геологической среды:

• грунтоведение — горные породы (грунты) и почвы;

• инженерная геодинамика — природные и антропогенные геологические процессы и явления;

• региональная инженерная геология — строение и свойства геологической среды определенной территории.

Кроме того, в состав современной инженерной геологии входят многие специальные разделы, имеющие уровень самостоятельных наук: механика грунтов; механика скальных пород; инженерная гидрогеология; инженерная геофизика; геокриология (мерзлотоведение). Интенсивно развивается морская инженерная геология, а также комплексная дисциплина по охране природной среды, основой которой является геоэкология как наука об условиях и процессах в главнейших жизнеобеспечивающих геосферах: атмосфере, гидросфере, литосфере и их взаимодействиях с биосферой, включая антропогенное влияние. Иными словами, инженерная геология все более сближается в решениях проблем с экологией.

Главная цель инженерной геологии — изучение природной геологической обстановки местности до начала строительства, а также прогноз тех изменений, которые произойдут в геологической среде, и в первую очередь в породах, в процессе строительства и при эксплуатации сооружений. В современных условиях ни одно здание или сооружение не может быть спроектировано, построено и надежно эксплуатироваться (а в последствии может быть ликвидировано или реконструировано) без достоверных и полных инженерно-геологических материалов.

Все это определяет основные задачи, которые стоят перед инженерами-геологами в процессе изыскательских работ еще до начала проектирования объекта (при принятии решения о строительстве, об инвестировании проекта и т. п.), а именно:

• выбор оптимального (благоприятного) в геологическом отношении места (площадки, района) строительства данного объекта;

• выявление инженерно-геологических условий в целях определения наиболее рациональных конструкций фундаментов и объекта в целом, а также технологии производства строительных работ;

• выработка рекомендаций по необходимым мероприятиям и сооружениям инженерной защиты территорий и охране геологической среды при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Перед студентами строительных вузов, которые изучают инженерную геологию, стоят также вполне конкретные задачи. По завершении обучения они должны знать важнейшие законы и базовые понятия по общей геологии, гидрогеологии, грунтоведению, инженерной геодинамике, региональной инженерной геологии, владеть основными положениями нормативной литературы, такой, как СНиП 11.02—96 «Инженерные изыскания для строительства», СНиП 2.01.15—90 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов», ГОСТ 25100—95 «Грунты» и др.; иметь представления о составе и порядке подготовки технического задания на инженерно-геологические изыскания, о составе программы инженерно-геологических изысканий, уметь квалифицированно анализировать материалы отчета по инженерно-геологическим изысканиям, принимать по этим данным правильные инженерно-строительные решения, оценивать долговременное влияние построенных объектов на природную среду, а также то, как эта среда воздействует на нормальную эксплуатацию зданий и сооружений.

Сложный узел проблем, возникающих при взаимодействии современных строительных объектов с окружающей, в том числе и с геологической, средой определяет необходимость для инженера-строителя обладать знаниями в инженерной геологии, а для инженера-геолога — в области строительства. В настоящее время только такое «взаимопроникновение» позволяет грамотно и экологично решать все задачи при строительстве, эксплуатации, реконструкции и ликвидации строительных объектов, т. е. на протяжении всего «жизненного цикла» строительного проекта, в том числе и на основе вновь развивающейся геоэкологической науки, которая охватывает взаимодействие всех главнейших геосферных жизнеобеспечивающих оболочек и их влияние на среду обитания человека, а также обратную реакцию строительства на эти геосферы, в том числе и на биосферу.