Geologia inżynierska

Podstawowe cechy

geologiczno-

inżynierskie (geotechniczne)

skał (gruntów)

posadowienia na nim budowli

To te właściwości, które mają wpływ na ocenę przydatności podłoża do:

wykorzystania w budowach ziemnych

obliczeń stateczności zboczy i skarp

Badaniem cech geotechnicznych zajmuje się gruntoznawstwo,
mechanika gruntów i mechanika skał.

Podstawowe cechy

geologiczno-

inżynierskie (geotechniczne)

skał (gruntów)

cechy fizyczne

dzielą się na:

cechy mechaniczne

porowatość [n]

cechy fizyczne:

wodoprzepuszczalność

gęstość właściwa

(rzeczywista) [

r

s

]

gęstość objętościowa [

r

]

wilgotność (w)

To stosunek objętości wolnej przestrzeni
do objętości skały, czyli stosunek
objętości porów do szkieletu mineralnego

[%]

p. intergranularna

szczelinowatość

krasowatość

pory otwarte

pory zamknięte

Porowatość nie zależy od frakcji, o ile skała jest dobrze
wysortowana. Stąd też taką samą liczbowo porowatość może
mieć pył, piasek i żwir.

Porowatość skał okruchowych zależy od:

obecności, ilości i rodzaju spoiwa

stopnia wysortowania

kształtu ziaren

sposobu ułożenia ziaren

stopnia otoczenia ziaren

Przy zagadnieniach związanych z filtracją wody ważny jest także

rozmiar porów. Przy wymiarze porów rzędu dziesięciotysięcznych części

milimetra nawet silnie porowate grunty są wodoszczelne.

Dodatkowo należy rozróżnić pory otwarte i pory zamknięte, tylko otwarte

mogą brać udział w filtracji.

porowatość [n]

cechy fizyczne:

wodoprzepuszczalność

gęstość właściwa

(rzeczywista) [

r

s

]

gęstość objętościowa [

r

]

wilgotność (w)

To stosunek masy składników
mineralnych do ich objętości

[g/cm3]

Zależy ona bezpośrednio od

składu mineralnego, gdyż

poszczególne minerały różnią

się gęstością, np.:

• montmorillonit 2,34 g/cm3

• biotyt 2,7 – 3,1 g/cm3

porowatość [n]

cechy fizyczne:

wodoprzepuszczalność

gęstość właściwa

(rzeczywista) [

r

s

]

gęstość objętościowa [

r

]

wilgotność (w)

To stosunek masy skały do jej objętości.

[g/cm3]

Zależy od:

wilgotności

porowatości

składu mineralnego

porowatość [n]

cechy fizyczne:

wodoprzepuszczalność

gęstość właściwa

(rzeczywista) [

r

s

]

gęstość objętościowa [

r

]

wilgotność (w)

To stosunek masy wody zawartej w skale

do masy całej skały [%]

Wilgotność skał, zwłaszcza leżących w

strefie przypowierzchniowej ulega

częstym zmianom.

Wilgotność skał ma istotny wpływ na ich

cechy mechaniczne, szczególnie w

skałach spoistych (gliny, iły) i lessach.

wytrzymałość

[MPa]

cechy mechaniczne skał:

ściśliwość [

r

s

]

To odporność skały na siłę fizyczną

usiłującą ją zniszczyć. [MPa]

Istnieją różne rodzaje wytrzymałości –

najczęściej badana jest wytrzymałość na

ściskanie, ale także na:

zginanie, rozciąganie, uderzanie,

miażdżenie, ścinanie

Specyficznym rodzajem jest badana w gruntach

wytrzymałość na ścinanie.

Siła ścinająca musi pokonać opór

tarcia wewnętrznego

oraz wewnętrzne

siły wiążące poszczególne cząstki mineralne ze sobą –

siły spójności.

Miarą wytrzymałości na ścinanie jest

kąt

tarcia wewnętrznego

F

(kąt stoku jaki utworzyłby swobodnie usypywany grunt, np. piasek)

wytrzymałość

[MPa]

cechy mechaniczne skał:

ściśliwość [

r

s

]

Zmniejszenie objętości skały pod

wpływem obciążenia.

Jest to cecha istotna przy badaniu

skał okruchowych

niescementowanych oraz innych

gruntów (torfy, namuły), gdyż są one

łatwo odkształcalne i praktycznie

niesprężyste.

Podczas obciążania grunt podlega konsolidacji, której miarą jest moduł

ściśliwości (M

o

)

Hydrogeologia

– zajmuje się wodami podziemnymi

Niektóre ze skał/gruntów mogą przewodzić i magazynować wodę
(skały wodonośne, wodoprzepuszczalne) inne nie (skały
nieprzepuszczane dla wody)

Wody na Ziemi

mogą występować w różnych środowiskach, rozróżniamy

wody:

• atmosferyczne – w postaci gazowej lub kroplisto-ciekłej;

• powierzchniowe – oceany, morza, wody stojące (jeziora, stawy
sztuczne zbiorniki), wody

płynące (strumienie, potoki, rzeki, kanały),

pokrywy

śniegowe i lodowe, okresowe lub stałe;

• podziemne – znajdują się pod ziemią, wypełniają pustki, pory i
szczeliny w

skałach i gruntach.

http://www.woda.ovh.org/Obiegwody.htm

Opady

Spływ

podpowierzchniowy

Transpiracja

(parowanie)

Adsorbcja

roślinna

Spływ

powierzchniowy

Retencja

Wsiąkanie

Hydrogeologia

– zajmuje się wodami podziemnymi

Pochodzenie wód podziemnych:

wody meteoryczne

– powstają wskutek wsiąkania opadów atmosferycznych

w głąb ziemi

wody juwenilne

– pozostałości po krystalizacji minerałów z magmy

wody reliktowe

– wody dawnych zbiorników wodnych oddzielone od

powierzchni warstwami nieprzepuszczalnymi

kondensacyjne

– pochodzą z kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu

wypełniającym szczeliny i pory w skałach

Charakterystyka skał

pod względem

wodoprzepuszczalności

G.W.

Bogomo-

łowk

A.M.

Owczin-

nikow

Z. Pazdro

Przykłady

Dobrze przepuszczalne

>100

>10

>8,6

Łupek piaszczysty,

wapień, torf, piasek

gruboziarnisty, żwir

Przepuszczalne

10

– 100

1-10

0,86

– 8,6

Piaskowiec, piasek

drobnoziarnisty

Słabo przepuszczalne

0,1

– 10

0,01-1

0,086-0,86

Łupek ilasty, piasek

gliniasty

Półprzepuszczalne

< 0,1

0,001-0,01

0,0086-

0,086

Glina pylasta

nieprzepuszczalne

-

<0,001

<0,086

Granit, glina, ił

Wartości w [m/dobę]

Przepuszczalność hydrauliczna – zdolność ośrodka do
przewodzenia cieczy i gazów. Wodoprzepuszczalność gruntu (skały)
zależy od:


występowania szczelin, porów lub pustek krasowych (przestrzeń

hydrogeologiczna)


pustki te muszą być połączone i tworzyć wspólny system krążenia



pustki muszą mieć nadkapilarne rozmiary.

Własności hydrogeologiczne skał / gruntów wynikają z ich
własności fizycznych.

własności hydrogeologiczne skał i gruntów:

porowatość [n]

wilgotność [w]

wodonasycalność

odsączalność

wodoprzepusczalność

Dla skał może wynosić:

•Granity – 0,05 – 3%

•Sjenity – 0,25 – 1,4%

•Gabro – 0,2 – 2,4%

•Bazalty – 0,6 – 2,9%

•Porfiry – 0,05 – 12,4%

•Gnejsy – 1,5 – 2,3%

•Migmatyty – 0,01 – 0,03%

•Łupki krystaliczne – 0,01 – 3,3%

•Marmury – 0,7 – 1,5%

•Piaskowce – 0,1 – 20,2%

•Wapienie – 0,04 – 12,5%

•Wapienie trzeciorzędowe – 2 – 37%
(najczęściej >20%)

Ze względu na możliwość przepływu wody przez ośrodek skalny
wyróżniamy porowatość:

o

ogólną – całkowita przestrzeń porów

o

otwartą - obejmuje pustki kontaktujące się ze sobą

o

zamkniętą

o

efektywną (miarodajną, czynną, aktywną, kinematyczną) – obejmuje

pustki, przez które może przepływać woda

Współczynnik porowatości efektywnej (n

e

) jest zależny zarówno od

rodzaju skały jak również od sposobu przepływu i składu wody, jest
więc dynamiczną cechą ośrodka hydrogeologicznego.

własności hydrogeologiczne skał i gruntów:

porowatość [n]

wilgotność [w]

wodonasycalność

odsączalność

wodoprzepusczalność

Jest to stosunek ciężaru wody zawartej w

gruncie do ciężaru szkieletu gruntowego,

wyrażony w procentach.

Wilgotność naturalna to ilość wody jaka

znajduje się w skale (gruncie) w

warunkach naturalnych w danym

momencie czasu.

własności hydrogeologiczne skał i gruntów:

porowatość [n]

wilgotność [w]

wodonasycalność

odsączalność

wodoprzepusczalność

Nazywana czasem pojemnością wodną.

To zdolność ośrodka gruntowego do

wchłonięcia i utrzymania pewnej ilości

wody.

własności hydrogeologiczne skał i gruntów:

porowatość [n]

wilgotność [w]

wodonasycalność

odsączalność

wodoprzepusczalność

Jest to zdolność ośrodka gruntowego

w pełni nasyconego wodą do

oddawania tej wody pod wpływem siły

ciężkości. Określa się ją przy pomocy

współczynnika odsączalności



, czyli

stosunku ilości wody która może

odciec ze gruntu do całkowitej

objętości ośrodka wypełnionego wodą.

Wsp. odsączalności nazywany bywa

porowatością aktywną lub

porowatością efektywną

własności hydrogeologiczne skał i gruntów:

porowatość [n]

wilgotność [w]

wodonasycalność

odsączalność

wodoprzepusczalność

To zdolność gruntu do przepuszczania

wody. Jest jednym z najważniejszych

parametrów charakteryzujących ośrodki

gruntowe (skalne).

Stosowany jest tu współczynnik

wodoprzepuszczalności (wsp. filtracji) k,

który charakteryzuje zdolność

przesączania wody będącej w ruchu

laminarnym przez skały porowate.

Wsp

. filtracji to inaczej wielkość liczbowa

wyrażająca prędkość przemieszczania

się wody w różnych rodzajach gruntu

Elementy warstwy wodonośnej:

lustro (zwierciadło) wody podziemnej to górna powierzchnia wyznaczona

zasięgiem wody występującej w porach, szczelinach. Może być:

swobodne

– gdy nad nim znajduje się warstwa przepuszczalna,

co sprawia, że może się swobodnie podnosić

napięte (naporowe) – woda ma ciśnienie wyższe niż atmosferyczne,

gdyż nad warstwą wodonośną znajduje się warstwa

nieprzepuszczalna

ustabilizowane

– poziom wody jaki przybrałaby woda

znajdująca się w warstwie o ciśnieniu naporowym, w otworze

przewiercającym warstwę nieprzepuszczalną

warstwa wodonośna

o zwierciadle swobodnym

warstwa wodonośna

o zwierciadle napiętym

1

– warstwa wodoprzepuszczalna

2

– warstwa wodonieprzepuszczalna

3

– zasilanie

4

– studnia artezyjska

5

– zwierciadło ustabilizowane wody

6

– studnia/piezometr

studnia

Rzeka drenująca

Zasilanie przez

infiltrację

Rzeka infiltrująca

Zasilanie lateralne

Zasilanie poprzez okna hydrogeologiczne

sedymentacyjne -

wyklinowanie

sedymentacyjne

– lokalna

zmiana składu litologicznego

erozyjne

Wody wolne

Wody opadowe wsiąkając w głąb ziemi przepływają przez warstwy

przepuszczalne, a gdy napotkają warstwę nieprzepuszczalną gromadzą

się nad nią, wypełniając wszystkie wolne przestrzenie.

Warstwa skalna wypełniona wodą nosi nazwę

warstwy

wodonośnej

,

a ta jej część która jest nasycona

wodą

to tzw.

strefa saturacji

(freatyczna)

.

Nad nią, powyżej lustra wody gruntowej,

znajduje się

strefa

aeracji (napowietrzania, wadyczna)

,

gdzie pustki skalne

wypełnione są głownie powietrzem,

a woda tylko się przez nią przesącza.

Tuż nad zwierciadłem wody znajduje się

strefa wzniosu kapilarnego

Najważniejszą cechą wody wolnej jest to, że może ona przenosić

obciążenia hydrostatyczne oraz ma możliwość przemieszczania się pod

wpływem sił ciężkości.

Wody w strefie aeracji:

Wody

wsiąkowe

(infiltrujące) pochodzą z opadów lub infiltracji wód

powierzchniowych i grawitacyjnie

przemieszczają się w dół przez strefę

aeracji do strefy

saturacji (w skałach/gruntach przepuszczalnych)

Wody kapilarne (włoskowate)

wypełniają kapilary (przewody

włoskowate) znajdujące się w skałach/gruntach ponad lustrem wody

(strefa wzniosu kapilarnego). Wznoszenie się wody w kapilarach wynika

z działania sił napięcia powierzchniowego i sił zwilżania.

Wody wolne

-

podlegają sile ciężkości, mają zdolność rozpuszczania

oraz przekazywania ciśnienia hydrostatycznego

Wody zawieszone

-

zdarza się że woda w trakcie wędrówki w dół przez

warstwę trafia na soczewkę o mniejszej przepuszczalności, może

zatrzymać się i zacząć gromadzić w porach ponad nią.

Wody

związane

są przytrzymywane przez siły molekularne blisko

ziaren mineralnych

Woda higroskopowa

– woda w postaci molekuł pary wodnej, utrzymywana siłami

adsorpcji na powierzchni ziaren, otaczając je cieniutką, lecz niekoniecznie ciągłą

powłoką o grubości do 4*10-2mm. Zmiana zawartości w.h. zachodzi drogą

przejścia do pary wodnej powietrza glebowego i odwrotnie.

W.h

. mogą się poruszać dopiero po przejściu w stan pary, zatem ich usunięcie ze

skały może odbyć się wyłącznie po wysuszeniu w temp. >100

O

C.

W.h

. nie przenoszą ciśnienia hydrostatycznego

.

Wody w strefie aeracji:

Woda błonkowa

– woda w stanie płynnym, otaczająca ziarno mineralne w postaci

ciągłej błonki. Jest ona utrzymywana w swym położeniu przy udziale sił

elektrycznych pomiędzy ziarnem a dipolem wody.

Grubość warstwy wody błonkowej wynosi ok. 0,5



, przy czym jako ciecz

przemieszcza się ona od błonki grubszej do cieńszej.

Ilość w.b. zawarta w różnych gruntach zależy od ich składu mineralnego, wielkości

i kształtu ziaren itp. I waha się w bardzo szerokich granicach:

od ok. 1,5% w piaskach gruboziarnistych do ponad 40% w iłach

Wody w strefie saturacji

Wody gruntowe

umownie przyjmuje się że ich strefa aeracji ma

miąższość >1m. Posiadają najczęściej swobodne zwierciadło o

przebiegu zgodnym z powierzchnią terenu i zasilane są bezpośrednio

opadami atmosferycznymi.

Wody przypowierzchniowe (zaskórne)

występują na głębokości do

1m, zasilane są na całym obszarze występowania opadami

atmosferycznymi.Posiadają zawsze swobodne zwierciadło.

Wody głębinowe

to wody wyłączone z cyklu hydrogeologicznego,

znajdujące się na dużych głębokościach i odizolowane od innych

poziomów wodonośnych. Zawierają wody często silnie zmineralizowane

o dużym ciśnieniu piezometrycznym.

Wody wgłębne

znajdują się pod warstwą wodoszczelną. W zależności

od budowy geologicznej może występować kilka połączonych lub nie

poziomów wodonośnych. W.w. Zasilane są na wychodniach warstw

wodonośnych lub przez tzw. okna hydrogeologiczne

(zmiana litologii, wyklinowanie, erozja).

Wody w strefie saturacji

w utworach aluwialnych

(osadach rzecznych)

Sytuacje hydrogeologiczne w gruntach

p

iaski i żwiry

gliny

Sytuacje hydrogeologiczne w gruntach

w utworach polodowcowych

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w urozmaiconym morfologicznie obszarze płytowym

w utworach ułożonych monoklinalnie

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w utworach ułożonych monoklinalnie

Zasilanie pośrednie w strukturze monoklinalnej w okresie niskich i wysokich stanów wód

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w utworach ułożonych monoklinalnie

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w obszarach fałdowych

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w obszarach fałdowych

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w obszarach nieciągłych tektonicznie

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w obszarach nieciągłych tektonicznie

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach

w obszarach nieciągłych tektonicznie

Źródła

samoczynny, naturalny i skoncentrowany wypływ wody

podziemnej

Sytuacje hydrogeologiczne w skałach