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Раздел 1. Обща геология 1 Уважаеми колеги, Настоящият цикъл лекции по инженерна геология и хидрогеология е изготвен от гл. ас. инж. геол. хидрогеолог Ивайло Иванов от катедра Геотехника”, ФТС. Цикълът е изцяло базиран на учебника Инженерна геология и хидрогеологияс автори проф.Н. Косев, доц. Ю. Страка, гл. ас. Кольо Филипов и гл. ас. Н. Гълъбова, издаден през 1993 г. от издателство Техника”. Позволил съм си малки изменения в учебника, насочени главно в посоката на по- лесно разбиране на материала. Важните за проектирането и строителната практика сведения са написани с курсив и са отбелязани вдясно от текста със съответен знак: - важно за проектирането! - важно за строителството! Лекциите са предназначени основно за специалност Хидротехническо строителство”, но могат да се ползват и от другите специалности в УАСГ. Ще бъда благодарен за всички забележки и критики, отправени ми от колеги преподаватели, студенти и специалисти от практиката, които биха ми помогнали да подобря съдържанието на лекциите. Очаквам Вашите мнения на e-mail: [email protected] ВЪПРОС 1. СТРОЕЖ И СЪСТАВ НА ЗЕМЯТА И ЗЕМНАТА КОРА 1. Общи сведения за планетата Земя Земята е третата планета от Слънчевата система и петата по големина. Фиг. 1.1. Изглед на планетата Земя от космоса Според съвременните схващания Земята е образувана преди около 4,7 млрд. години чрез прихванат от притеглянето на Слънцето протопланетен облак 1 . Тя е най-голямата от вътрешните планети на Слънчевата система и се върти около Слънцето по почти кръгова орбита. Средното разстояние до Слънцето е приблизително 150 млн. km. Скоростта на движение на Земята по орбитата е 29,7 km/s, като пълен оборот тя извършва за 365,26 d. Периодът на въртенето на Земята около оста й е 23,56 d. В резултат на въртенето диаметърът на Земята в екваториалното сечение е с 43 km по-голям от диаметъра, съединяващ полюсите.

Земна механика

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Лекций по Земна механика

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    7 (SiO2) 100

    8 (Al2SiO4(OH-,F-)2) 200

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    4. 1. Friedrich Mohs (29.01.1773 29.09.1839) .

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    (. )

    . , ,

    , ,

    ( , . .).

    , ,

    , .

  • II.

    59

    10.

    1

    .

    , .

    2.1. .

    .

    () - l, d, (. 10.2.)

    .

    l

    ll

    ==

    (10.13)

    d

    dd

    ==

    (10.14)

    .

    .

    ,

    (. 10.3), ..

    :

    . 10.2.

  • II.

    60

    ; -

    = E. E

    =

    (10.15)

    ; (

    ); ( ).

    . 10.3. .

    (. 10.4).

    ( ) , . .

    ().

    . 10.4. ( - ) ( , ); ; ;

    ;

    ; ; (0 , 1 2 ,

    ); ;

    (. 10.5):

  • II.

    61

    . 10.5.

    6 ,

    ( Hallbauer, Wagner, Cook)

    I ;

    II ;

    III

    ;

    IV

    ; ,

    ,

    ;

    V

    ,

    - ;

    VI

    .

    ,

    , .

    2.2.

    ( ),

    , ( -

    Poisson), .

    ( , )

    :

    E

    = (10.16)

    ,

    () () :

    E

    M

    +=

    (10.17)

    ,

    :

    = (10.18)

    ( )

    ( ) - :

  • II.

    62

    =

    (10.19)

    - ; .

    0,5.

    ,

    .

    , ,

    .

  • II.

    54

    ,

    ( . - ),

    .

    9. .

    1. , .

    , , , .

    ,

    . , ,

    , , , .

    .

    ,

    , .

    , ,

    .

    ( ) (

    ).

    , .

    ,

    , .

    ( )

    ().

    2. 2.1.

    ,

    ;

    ;

    ;

    .

    2.2.

    , , . ,

    .

    , ,

    - , . -

    , -

    , .

    , .

    -

    ,

    .

    2.3.

    67685 :

    ) ():

    ;

  • II.

    55

    .

    ) ();

    ;

    ;

    .

    ,

    .

    . Rn > 5 Mpa.

    . ,

    , .

    . - , ,

    , .

    -

    . ,

    .

    (, .). -

    .

    , .

    (, , ).

    .

    1%.

    - ( ), (,

    , ), , . ,

    , .

    3. ,

    , .

    .

    ,

    ,

    .

    . . 1.3

    .

    1.3.

    1 2 ( )

    ,

    (, )

    (

    ) (, , ,

    , )

    ( )

    ( ,

    , , , )

    (

    ,

    )

    ( )

    ()

    (, , )

  • II.

    56

    4. (Density)

    ,

    ( ), (, )

    ( ), ,

    , 9.1.

    . 9.1.

    ; G ; V -

    (-atural density) n ,

    VM

    n = [g/cm3] (9.1)

    ; V .

    (Unit weight) :

    = .g [N] (9.2)

    .

    ( ) d (Dry density) s (Specific density):

    d

    d

    sV

    M= [g/cm

    3] (9.3)

    V

    M dd = [g/cm

    3] (9.4)

    d ; VD , .

    , (, , ),

    1%, d s.

    :

    )01,01( Wn

    nd

    +=

    (9.5)

    ,

    .

    (Pore volume, Porosity)

  • II.

    57

    .

    : .

    .

    , ,

    ,

    (, .). .

    ,

    .

    Vn

    V :

    %100.V

    Vn n= (9.6)

    ,

    . -

    .

    . (, , .)

    :

    s

    dsn

    = (9.7)

    :

    > 1 mm; ( ) < 1 mm; (

    ) < 0,1 mm.

    n

    nf. - .

    > 1 % = n.

    .

    ,

    .

    (Void ratio) - ,

    ,

    :

    n

    ne

    =1

    (9.8)

    1+=e

    en (9.9)

    (Water content, Moisture content) , , (

    ). - 15 - 20 %

    .

    .

    :

    %d

    d

    d

    w

    M

    MM

    M

    MW

    == (9.10)

    w ; ; d

    .

  • II.

    58

    (

    ) . -

    v = 50007500 m/s.

    .

    .

    .

    ,

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    . .m.

    . (

    ).

    . .

    .

    .

    , , ,

    . kp:

    r

    pR

    Rk = (9.11)

    Rr ; R

    .

    kp : kp > 0,8;

    kp = 0,7 - 0,8; kp = 0,5 - 0,7

    kp < 0,5. - kp, - -

    .

    ( ) ,

    (, , , ).

    .

    , .

    ,

    .

    W

    W.

    .

    .

    H

    W

    Wk = (9.12)

    .

    (Permeability) ,

    .

    .

  • .

    63

    11.

    1.

    ,

    , .

    .

    , ,

    .

    1.1.

    ,

    .

    , .

    22,5 (. 11.1 ).

    ,

    (. 11.1, . 11.1).

    . 11.1.

    .

    ,

    (. 11.1 -1); R 200300 - 510 .

    - (. 11.1 -2); R

    12 510 , 50 .

    . 11.1.

    ; , (1 ;

    2 ); ;

  • .

    64

    (

    ) (. 11.2)

    ( Franklin).

    ( ) 25 100 mm. (

    )

    2d

    FI S = (11.16)

    F ; d .

    50 mm.

    . 11.2.

    ; .

    :

    R = 23IS, (11.2)

    ( )

    ,

    .

    1.2.

    R -

    .

    510 % .

    . . . "

    (. 11.3).

    . "

    . .

    - .

    -.

    . 11.3 ( )

  • .

    65

    1.3.

    .

    " (

    ) (. 11.4).

    .

    , 2 - .

    ,

    d/ , :

    3

    max

    3

    16

    d

    LFR

    = (11.3)

    Fmax ; L ; d

    .

    . 11.4.

    L ; ; ;

    1.4.

    -

    , ()

    .

    .

    ( ):

    = . tg + c (11.4)

    ( ); ; ,

    , .

    (. 11.5)

    (. 11.6).

    , 2 ,

    (. 11.6 ), ,

    (. 11.6 ).

  • .

    66

    . 11.6.

    . 11.7.

    ; ; ; 1 (3) ()

    ; D ; Z ; ;

    -

    = f () (. 11.8).

    max

    ( - r),

    3050 % max. - max / , -

    .

    . 11.8.

    ;

  • .

    67

    , , , ,

    , , , ,

    276 ( ) 0 ( )

    70,6 () 7,5 ( ) 51 ().

    . 11.9. :

    : ; -1 ; -2 ;

    : ; -1 ; -2 .

  • .

    68

    12. ,

    1. , ,

    , . , ,

    , .

    , , , .

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    , .

    , , -

    .

    .

    .

    ,

    . ,

    (, ,

    ).

    .

    .

    , .

    , .

    (

    ).

    : IV

    ; ( ) III ;

    II , I .

    .

    , ,

    ,

    .

    .

    , ,

    , -,

    .

    2. , ,

    .

    , .

    , , -

    .

    : .

  • .

    69

    ,

    , .

    .

    .

    , .

    , ( )

    -

    - .

    -

    , - - 14 .

    (

    ) , ,

    , .

    ,

    .

    - .

    ,

    ,

    -, -, - .

    .

    3. , () .

    ,

    ( ) ,

    ().

    .

    -

    , ,

    ( ) .

    3.1.

    ,

    .

    . , ,

    , , ,

    .

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    , , -

    , .

    :

    ;

    (, .).

    .

    ( ) ,

    ( ).

    .

    - . -

    , , .

    .

    -

    .

    ,

  • .

    70

    ( ) .

    ,

    . ,

    . ,

    ,

    , .

    ( ).

    .

    .

    210 m. 10-20 m.

    .

    , .

    ( , .).

    . .

    , .

    .

    ( 2030 m ) .

    . , -

    . ,

    .

    .

    90 .

    , , ,

    (. 12.1).

    . 12.1.

  • .

    71

    (. 12.1)

    12.1

    , m ,

    m

    < 10-3

    10

    >104

    , ,

    l

    L : l < L/50; L/50 < l< L/5;

    L/5 < l L.

    .

    ,

    .

    , ,

    . -

    . ,

    .

    , .

    , . . -

    , -

    . .

    , (. 12.2).

    ;

    A

    Ke

    =

    K = K1 + K2 + Kn; . 12.2.

    (i),

    ( ) (. 12.2).

  • .

    72

    . 12.3.

    :

    ; ;

    , ( )

    .

    (.

    12.3). , 4060

    530. - -

    .

    .

    . .

    :

    , .

    - ,

    , , -

    . ( ) -

    .

    .

    3.2. ( ) ,

    .

    , .

    . ,

    .

    4.

    ,

    , . . .

    (. 12.4).

  • .

    73

    . 12.4.

    200300

    3035 , . ,

    , / .

    ,

    .

    . -

    .

    . 12.5.

    . 12.6 L.

    .

    () , ,

    . -

  • .

    74

    , ,

    -.

    . 12.6. L ;

    ,

    .

    . 12.7.

    5. ,

    1)

    :

    2) ,

    .

    3) ,

    .

    4)

    . ,

    ,

    .

    5) ,

    .

    (, , ).

    6)

    - .

  • .

    75

    , ,

    .

  • II.

    76

    13. , -

    1. , ,

    (, , .) . 65 82 % .

    1.1.

    . - (-, -, -, ), , , . ( ) () . . - ( , . .). , , (-) , .

    1.2. ,

    . -, - . , - ( ). - , , < 0,005 mm. - , 50 % (0,1 0,005 mm) (> 0,1 mm) . , . (, , , .), (, - ), .

    -, , , , () .

    , (- ), ( ).

    - - . , " . - - () . , ; < 7 (. 13.1); > 7 . . - ".

  • II.

    77

    . 13.1. :

    < 7; > 7 (--)

    . , , , . () , . . . 0,004 mm. -, , . .

    . . . .

    - . (, , ), . , . .

    . .13.2. a2, , . 1, , - , . - - - . , . - .

    . 13.2. : 1 ; 2 .

  • II.

    78

    1.3.

    () . , . . , , . (, , . .) () , . , .

    2. , 2.1.

    , , , . - SiO2 ( 80 %), 12O3 2O, - F23, F, , g, 2O, N2O , . SiO2, 12O3, F2O3, , g, N2, 2O. - - SiO2, g, 12O3, F203, 2O Na2O. , , - O2, SO2, 2O5, S 1.

    2.2.

    - . : ( - ) , , ; ( ) , , .; ( ) , , , , , .

    . , .

    (, , , ) . - -- (. 13.3 ), , . . , .

    (, , ) - . , (. 13.3 ). , . . , - (. 13+ g2+ Si4+ 13+) , . , , .

    (, , , ) . , , , - (. 13.3 ). - , - .

  • II.

    79

    . 13.3. :

    ; ; ; ; 1 - ;

    2 -- ; - ;

    4 -- 2.3.

    . < 0,005 mm. 30 % ( 60 %), 1030 %, 310 %. . - . ; , - .

    2.4. .

    - . , , .

    (- ), , , . , , . () , . , . . , . . (0,0010,005 mm). - , (- - - ), , . < 0,001 mm (- ) , . . .

  • II.

    80

    , . . , . (. 13.4) () , () . .

    . - , . . - , - . : . , , . 1 m3 1 1 m, 10 0,1 m, 1000 0,01 m . ., 6 cm2, 6.103 cm2, 6.106 cm2 . . . . , 1 % < 0,001 mm, 99 % . 1 % .

    ( ) - h ( ) , ( < 7 - ), . - ( , ); ( ); . - , .

    . 13.4. ()

    ; ; ; (+) (-) ; 1 () ; 2 ( , ), , ; 3 , , ; 4 ()

  • II.

    81

    2.5.

    , . : ; ( , ); ; ; . - . ( , - , - ) ( - , - ); SiO2:R23 (R23 12O3), 4, 2.

    : (

    - ); .

    (, , .), - , - . , , :

    Fe3+ > l3+ > + > 2+ > 2+ > g2+> + > N+ > Li+ . -

    2+, g2+ , . , , +

    ( ), +. 2.6.

    .

    ( ) , . - . . . . .

    . - .

    ( - ). .

    . . , ( , N+). , , , , . . .

  • II.

    82

    2.7.

    (, .) . - (), - (). ( ), , . , - , , - , , , -, .

    2.8.

    (R) ():

    [ ];, =s

    LR e

    2. r

    eSn

    L=

    (13.1) L ( ), m; s

    , m2; ; Sr . 30 m, = 10 100 m. ,

    , , .

  • II.

    83

    14. 1. s, 2,70 2,75 g/cm

    3. -

    , Fe g, (

    - ), - , .

    n 1,35 1,90 g/cm3 (

    1,75 2,30 g/cm3 ) ,

    . .

    , ()

    , (

    , ).

    (30 60 %).

    . -

    ( ). .

    > 0,02 mm ( )

    ( ); .

    .

    , ,

    :

    n

    ne

    =

    1 (14.1)

    1+=

    e

    en (14.2)

    wn

    , ,

    . -

    - , -,

    . - wn -

    .

    .

    wr.

    Sr

    .

    .

    r

    n

    rw

    wS = (14.3)

    2761-75 :

    sr

  • II.

    84

    , Na+

    .

    wm -

    . ,

    . -

    ( 50150 %,

    1240 %) ( 24 %, 8

    24 %, 58).

    wk ,

    . < 0,02 mm.

    - .

    .

    ( , )

    , ,

    .

    ( ), (

    ), (-

    , Na+).

    .

    - I:

    Ip = wl - wp (14.4)

    wl

    ( ,

    ); wp

    .

    : (1 >

    17 %); (1 - 717 %); (1 = 17 %). -

    , - ,

    .

    (, ,

    , .) (

    ), .

    , ,

    . ,

    - ; - -. -

    -.

    ( , -

    ).

    IP 676 85

    IP IP [%] < 1%

    1 - 7

    7 - 17

    > 17

    .

    ,

    . 276175 I:

  • II.

    85

    pl

    nlc

    ww

    wwI

    = (14.5)

    . 14.1.

    - I > 1,

    - I = 0 - 1, - I < 0.

    ( ) -

    . ,

    .

    .

    :

    , ,

    ;

    , ,

    ;

    , ; -

    ,

    , ;

    .

    L ep,, (

    wL wP), d:

    PL

    L

    dee

    eeK

    = (14.7)

    d < 0 , ,

    ; d > 1 ,

    ; d = 0 - 1

    , .

    -

    1

    % ():

    IA

    p= (14.8)

    , > 1,25; <

    0,75, 0,75 < < 1,25.

  • II.

    86

    .

    .

    (

    )

    .

    ( -), (

    - ),

    ( , -

    ; , N+ , 20 ).

    .

    ,

    . ,

    , :

    )3(1

    8.

    .

  • V.

    175

    30.

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  • V.

    176

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  • V.

    177

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    181

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    183

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    184

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  • II.

    94

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    3 ,

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    (s) ,

    .

    , .

    1,50 1,80 g/cm3 .

    (ID) :

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    95

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    (1D = 0,66 - 1).

    3.2. .

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    90 % ,

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  • II.

    96

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  • II.

    97

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    98

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    5060 m),

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    1.1.

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    : 123 4,1 18,4 %,

    8,5 13,8 %, Fe2O3 3,1 4,9 %, g 1,4 3,8 %, SO3 0,1

    0,5 %. 3 8,3 14,9 % ( 50 %).

    ",

    mm cm. 0,13 0,49 %.

    .

    1.2.

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    ( ) .

    1.3. .

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    1.4. -

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    3 (- 1,51,8 g/cm

    3 )

  • II.

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    (- 1,3 1,5). - n 36 57 % (-

    4252 %) ( = +

    ). = 0,56 1,33 (- 0,72 1,08).

    ,

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    , . -

    ( 12 m ) wn ; -

    wn,,

    ( 23 m) wn .

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    Sr 0,15 0,94 ( 0,370,78).

    .

    hk ~ 2,4 m

    ws - 1517 %; wL = 21

    41 % ( 2535 %); wP 18,7 % ( 1,5 %).

    IP .

    .

    -, -.

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    e

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  • II.

    102

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    , .

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    2,20 1 g/cm3 , n = 1,18 1,99 g/cm

    3 ); 4590 %,

    9. 50100 % (-

    wL), , , 600 %.

    :

    (2 3.10-5

    -1; (1 25.10

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    ( )

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    0,8 1,2 g/cm3 ); ( = 8595 %),

    8 9; 8595 %

    , ,

    . ( ;

    ).

    (

    , k = 1012 m/24h).

    , .

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    .

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  • II.

    103

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    104

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    105

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    2.

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    1050C; t

    0 (-196

    0C).

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    () . t0 > 200

    0C.

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    106

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    6.

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    108

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    ) (. 18.3)

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    109

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    , ( 2 km) .

    .

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    -

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    , :

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