Тема 2. 2 горные породы и процессы в них

Проблемную ситуацию можно рассмотреть при изложении следующих вопросов. При изучении сейсмических явлений сразу встает вопрос о необходимости учета их при проектирова­нии зданий и сооружений. Уместно обучающихся спросить: «Ка­кие могут быть принципы учета сейсмических явлений при проектировании сооружений?» При такой постановке вопроса не ставится задача конкретно предложить какой-то метод про­ектирования сооружений. Надо активизировать мышление обу­чающихся и при их помощи установить основные принципы учета сейсмических явлений. С одной стороны, необходимо уни­фицировать (несколько условно) сами сейсмические явления и на этой основе выделить зоны с проявлением землетрясений определенной бальности. Обучающихся можно подвести к это­му выводу с помощью наводящих вопросов, пояснений и,  на­конец, развитием их мысли в этом направлении. Следует инициативно поработать с аудиторией, активизировать мыш­ление обучающихся, с тем чтобы они сами стали  выдвигать  предложения, и тогда обязательно родится истина.

Вторая сторона ответа на поставленный вопрос ближе к обучающимся как будущим техникам.

 Если все обучающиеся пришли к мысли о необходимости выделе­ния зон, то можно предложить и определенные инженерные решения по устройству зданий и сооружений в соответствии с этими зонами или классифицировать степень повреждений и разрушения здания в результате землетрясений. К этому вы­воду прийти сравнительно несложно, потому что он является естественным и обучающиеся подготовлены к нему, имеют не­обходимые знания. Важно лишь помочь прийти к этому вы­воду.

Излагая процессы выветривания, обучающимся можно за­дать такой обобщающий вопрос:

 «Какие факторы способству­ют разрушению и изменению горных пород?» Речь в данном случае идет не только о геологической деятельности ветра, а вообще о том, что может влиять на процессы разрушения и изменения горных пород. Надо попытаться поднять обучаю­щихся несколько выше изучаемой темы, используя их круго­зор, наблюдения из жизни. Надо сказать, что инженерная геология вообще расширяет кругозор любого человека, дает возможность взглянуть на природу глубже, шире, понять мно­гие процессы и явления. Вот и здесь надо мысленно раздви­нуть горизонты изучаемой темы, дать возможность обучаю­щимся задуматься и ответить на поставленный вопрос. Ко­нечно, сразу дать полный ответ невозможно, но появятся предложения, отдельные мысли, ответы, реплики и т. д. А это как раз и нужно, так как «работать» умственно будет подав­ляющее большинство обучающихся. И вот еще что важно (это проверено накопленным опытом и педагогической прак­тикой). Те вопросы, которые рассматриваются с участием  обу­чающихся, можно сказать коллективно, как правило, хорошо запоминаются обучающимися и требуют значительно меньше времени на самостоятельную подготовку. Возвращаясь к по­ставленному вопросу, можно выразить уверенность в появле­нии правильных ответов со стороны обучающихся. Преподава­телю следует обобщить отдельные, разрозненные ответы обучающихся и дать окончательный ответ на поставленный вопрос.

Технические средства обучения к данной теме могут при­меняться в следующих направлениях: а) как помощь препода­вателю в наглядной иллюстрации отдельных моментов главы (особенно тех, которые требуют зрительного представления обучающихся о явлениях, процессах, предметах обучения); б) для уменьшения времени на вычерчивание отдельных схем, чертежей, имеющих сравнительно сложный характер и тре­бующих значительного времени на исполнение;  в) как позво­ляющие преподавателю проверить усвоение обучающимися со­общенных сведении, особенно имеющих сложный характер и трудно поддающихся запоминанию. Ряд рисунков можно ил­люстрировать с помощью кодоскопа и компьютера в сочетании с раздаточ­ным материалом, который, как указывалось ранее, должен готовиться до начала занятий и использоваться   обучающими­ся в своих конспектах.

В основном это относится к рисункам-фотографиям или видеофильмам, которые зрительно дают представление о ка­ких-либо процессах или явлениях, например: схема сейсмического районирования; оползень в долине; останцы; виды морен; формы нарушения устойчивости и деформации склонов; суффозионые провалы и кары.

 С по­мощью кодоскопа или компьютера можно вычерчивать рисунки, выветривание горных пород, схему размыва и искривления русла реки, расположение морских зон и про­филь берегового откоса.

Для контроля усвоения учебного материала можно исполь­зовать любые устройство, применяемое для этих целей в учеб­ных заведениях. Методика такой проверки изложена в преды­дущих главах. С учетом специфики учебного материала этой темы можно рекомендовать проверку понимания учебного ма­териала по таким разделам: сейсмические явления, химическое выветривание горных пород, виды аллювиальных отложений, моренные отложения, формы нарушения устойчивости склонов и откосов, карстование и др.

Можно рекомендовать использование следующих внутри предметных и межпредметных связей: рассматривая сейсмиче­ские явления, можно использовать из курса физики понятия и определения, связанные с распространением энергии на рас­стояния (тепловая, механическая и т. д.) и ее затуханием с увеличением длины пути прохождения. Это позволит лучше понять сам процесс распространения сейсмической энергии; излагая классификацию степени повреждения и разрушения частей здания при землетрясениях, необходимо связать поня­тия (легкие повреждения, значительные повреждения и т. д.) с соответствующим материалом из области строительных кон­струкций, архитектуры, строительных материалов и т. д.; при рассмотрении процессов выветривания необходимо более по­дробно остановиться на их физической сущности, используя для этого соответствующие понятия из курса физики, химии (окисление, гидратация, растворение, гидролиз и т. д.).

Это позволит применить обучающимся ранее полученные знания и лучше понять рассматриваемые процессы; рассказывая об эоловых континентальных отложениях, (дефляции и коррозии), следует с участием обучающихся вспомнить различные спо­собы механической обработки и особенно такие, которые ши­роко применяются в строительной практике и вообще в жизни: очистка поверхности с помощью сжатого воздуха или песко­струйного аппарата и др.; образование аллювиальных отло­жений можно рассматривать с позиций осаждения  частиц грун­та из суспензий.

В курсе физики этот материал рассматри­вается достаточно подробно (формулы Стокса и т. д.). Чем больше скорость течения реки, тем более интенсивно проис­ходит процесс выпадения крупнозернистых частиц грунтов. И наоборот, в спокойных, пойменных водах образуется пой­менный аллювий как результат осаждения мелкозернистых ча­стиц грунтов; при изложении процесса образования леднико­вых отложений необходимо создать у обучающихся картину механических воздействий ледников на горные породы. Преж­де всего следует отметить гигантскую величину передаваемого вертикального давления при толщине слоя ледника в несколь­ко тысяч метров. При толщине льда в 100 м на 1 м² горных пород приходится давление 92 т или почти 10 МПа. В меха­ническом отношении этот процесс надо рассматривать как на­пряженный мощный сдвиг при громадном вертикальном дав­лении и в общих чертах представить ту огромную разруши­тельную силу, которой обладали ледники и тем самым влияли на рельеф земной коры и образование горных пород.

Рассказывая о процессе карстообразования, следует более детально, с использованием знаний обучающихся, остановиться на происходящих химических процессах (выщелачивание кар­бонатных, сульфатных пород под влиянием свободной углекис­лоты, растворимость  песков и ангидридов и т. д.).

При изложении материала важно обратить внимание на его профессиональную и воспитательную направленность. Изучение инженерной геодинамики играет большую роль в становлении техника. Речь идет не только об активном влиянии экзоген­ных процессов на выбор конструкции инженерного сооружения, определение способов его возведения, но и влиянии инженер­ной деятельности человека на характер этих процессов, изме­нение их во времени. Практически мы опять встречаемся с ха­рактерным проявлением в жизни одной из известных фило­софских категорий - единство и борьба противоположностей.

По сути дела получается, что рассматриваемая инженерная геодинамика, базирующаяся на эндогенных и экзогенных про­цессах (сейсмические явления, процессы выветривания и гео­логическая  деятельность ветра и текучих поверхностных вод и др.), не только влияет на инженерную деятельность чело­века, но и сама по себе во многом зависит от этой деятельно­сти, а в целом - это единый процесс диалектического  развития   природы  и общества.

Следует подчеркнуть влияние рассматриваемых процессов на строительство зданий и сооружений. Невозможно предста­вить себе строительство инженерных сооружений без учета сейсмических явлений в тех районах, где они встречаются. Трудно переоценить влияние текучих поверхностных вод, если они в процессе своего движения разрушают горные породы, переносят их и откладывают продукты разрушения. Всем из­вестно, какую разрушительную силу имеют морские волны и как они могут воздействовать на горные породы и инженер­ные сооружения. Нет необходимости в дополнительных ком­ментариях о влиянии смещения горных пород на склонах на устойчивость построенных зданий и сооружений. Уже само по себе понятие карста и суффозии свидетельствует о трудностях строительства даже сравнительно простых сооружений.

Этот перечень значимости рассматриваемых процессов на условия строительства можно было бы продолжить. Однако он свидетельствует об одном: нельзя быть грамотным инженером и тем более инженером-преподавателем, не владея сущностью рассматриваемых явлений и процессов.

Надо обязательно под­черкнуть, что разработка рациональных решений в области оснований и фундаментов немыслима без знаний инженерной геологии вообще, в том числе по инженерной геодинамике. Принятие и разработка рациональных решений способствуют эффективному использованию капиталовложений. Истина здесь одна: чем эффективнее будут использоваться капиталовложе­ния, тем больше будет построено жилых домов, больниц, за­водов, фабрик, промышленных комплексов и др.

При изложении учебного материала следует уделять вни­мание роли отечественных ученых в развитии  и становлении рассматриваемых процессов и явлений; В. Д. Ломтадзе, Б. Б. Голицына, С. В. Медведева (сейсмические явления),  А. Е. Ферсмана, И. В. Попова, В. Б. Швеца (процессы вывет­ривания и геологическая деятельность ветра), А. П. Павлова, Е. К. Рябковой (деятельность текучих поверхностных вод).

 

Вопросы для самопроверки

1.  Как подразделяются землетрясения?

2.  Что такое гипоцентр и эпицентр?

3.  Как разделяются землетрясения по своей интенсивности?

4. Что понимается под процессом выветривания и какие существуют его виды?

5. Как образуются овраги и каково их влияние на земную поверхность?

6. Какие отложения образуются в результате геологической деятельно­сти рек?

7. Что такое абразия и какими отложениями она характеризуется?

8. Как образуются озера и болота?

9. Каковы особенности геологической работы озер и болот?

10.Какие процессы характерны для водохранилищ?

11.Как образуются горные и материковые ледники?

12.Что такое моренные грунты и каковы особенности их образования?

13. Как образуются флювногляцнальные отложения?

14.Как подразделяются склоны по их устойчивости?

15. Какие существуют формы оползней и как они образуются?

16.Что такое суффозия?

17. Как происходят карстовые процессы и чем они обусловлены?

18.Как образуются плывуны и каковы их особенности?

 

ТЕМА 2.3 ГРУНТОВЕДЕНИЕ

Проблемную ситуацию можно создать при рассмотрении методов гранулометрического анализа. Проведение такого ана­лиза у песчаных грунтов производится  сравнительно  просто, поскольку применение метода рассеивания полностью решает проблему.

 А как быть с проведением гранулометрического ана­лиза тонкозернистых грунтов, у которых размеры частиц менее 0,005 мм и предельная минимальная толщина ситовой ткани составляет 0,1 мм? Как и в предыдущем случае, надо поста­вить этот вопрос перед обучающимися и с их помощью, задавая наводящие вопросы и помогая при этом, прийти к выводу о не­обходимости подготовки глинистого грунта к анализу. Это не­обходимо для разъединения мельчайших частиц грунта друг от друга. Более сложным в данной проблемной ситуации является второй этап — определить метод гранулометрического анализа тонкозернистых грунтов. Для получения ответа на этот вопрос надо подойти с помощью обучающихся к созданию сначала сус­пензии, а затем, используя законы физики (законов Стокса), провести гранулометрический анализ ареометрическим мето­дом. В итоге определяется метод гранулометрического анализа тонкодисперсных грунтов, что и будет разрешением проблемной ситуации. Аналогичным образом можно рассмотреть проблем­ные ситуации и по другим вопросам главы. Материал настоящей учебной темы имеет в основном опи­сательный характер, но зато содержит большой объем новой информации. Поэтому технические средства обучения следует применять для проверки усвоения обучающимися учебного ма­териала. С этой целью используем   тестирование. В качестве примера приведем один из возмож­ных вопросов, исходя из содержания настоящей главы, и вари­анты ответов на него (один из которых является правильным).

Вопрос. Как оценивается природное состояние глинистых грунтов?

Варианты ответов:

 1) определением природной влажности;

2) с помощью границ пластичности, оцениваемых влажностью на границе раскатывания и текучести;

3) определением показа­теля текучести, учитывающего природную влажность и границы пластичности;

4) путем определения числа пластичности.

При подготовке к учебным занятиям преподавателю пред­ставляется возможность выбрать по своему усмотрению те во­просы, которые позволяют с учетом ограниченного вре­мени и содержания материала проверить его усвоение обуча­ющимися.

Использование внутрипредметных и межпредметных связей можно рекомендовать при изложении следующих вопросов: а) излагая номенклатуру грунтов основания по ГОСТ 25100—82, можно освежить в памяти ранее изучаемый материал первой главы и вспомнить породы с жесткими структурными связями и при отсутствии их (осадочные несцементированные породы); б) при объяснении процесса набухания и усадки глинистых грунтов необходимо более подробно остановиться на физической сущности этих явлений, используя знания обучающихся из кур­са физики и химии; в) характеризуя глинистые грунты как ос­нования зданий и сооружений,- можно остановиться на опреде­лении их вида по числу пластичности, содержанию глинистых частиц (внутрипредметные  связи).Следует охарактеризовать возможные отклонения и объяснить их причину;

 г) продолжая излагать характеристику глинистых грунтов, можно освежить в памяти основные свойства глинистых минералов и на этой основе рассмотреть физико-механические свойства глинистых грунтов.

Профессиональное и воспитательное значение материала темы определяется характеристикой основных групп грунтов оснований будущих зданий и сооружений. Следует подчеркнуть мысль о том, что в настоящее время в нашей стране ведется большое по объему строительство. При этом приходится стро­ить не только на прочных грунтах (скальных, полускальных, крупнообомочных и др.), но и слабых, неустойчивых и сильносжимаемых (водонасыщенных глинистых, лёссовых просадочных, заторфованных и др.), тем более, что необходимо учиты­вать соответствующие постановления по ограничению исполь­зования пахотных земель, пригодных для сельского хозяйства. Это обязывает не только изучить возможные варианты инже­нерно-геологических  условий строительных площадок, но и уметь их оценить, сделать правильные выводы и, самое главное, запроектировать такие основания, которые обеспечат устойчи­вость возводимых зданий и сооружений. Эта задача стоит не только перед будущим инженером, но и перед инженером-пре­подавателем, способным принимать самостоятельные инженер­ные решения и учить этому других.

Следует остановиться на ведущей роли отечественных уче­ных в становлении и развитии науки грунтоведения. К ним мож­но отнести таких ученых, как акад. Е. М. Сергеев, проф. М. М. Филатов, В. А. Приклонский.

Изучение вопросов инженерной геологии во многом способ­ствует формированию мировоззрения будущего специалиста – техника.  Необходимо использовать в качестве методической основы воспитательной работы материалы изуче­ния общественных наук.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы основные инженерно-геологические свойства горных пород?

2. На какие классы подразделяются грунты?

3. Как подразделяются нескальные грунты?

4. Как определяется зерновой состав глинистых грунтов?

5. Как оценивается природное состояние песчаных грунтов?

6. Какими водно-физическими свойствами характеризуются глинистые грунты?

7. Дайте строительную характеристику основным группам грунтов.

 

 

ТЕМА 2.4 ГЕОМОРФОЛОГИЯ

Проблемную ситуацию можно создать при рассмотрении основных двух групп формы рельефа — положительной и отри­цательной. Здесь нужно использовать наблюдательность, жиз­ненный опыт обучающихся. Действительно, рассматривая основные формы рельефа, можно задать вопрос: какие могут быть формы рельефа по отношению к горизонтальной земной поверхности? Надо вместе с обучающимися вспомнить и пред­ставить из ранее увиденного или услышанного о возвышенных и, наоборот, о пониженных участках суши.  Наверняка кто-то из обучающихся  вспомнит о горах или котловинах, оврагах и т. д.  После такого краткого обсуждения можно повышенным участкам дать название положительных, а пониженным — отрицательных  форм  рельефа.  Аналогично проблемные ситуа­ции можно рассматривать при конкретном разделении положительных и отрицательных форм рельефа на отдельные виды.

В качестве использования технических средств обучения можно рекомендовать раздаточный материал с демонстрацией его с помощью кодоскопа или на интерактивной доске. Материал настоящей главы имеет чисто описательный характер, не является сложным и поэтому применение этих  ТСО будет достаточным.

Можно рекомендовать использовать внутрипредметные свя­зи при рассмотрении форм рельефа, в частности, разделение их по происхождению. Здесь можно провести аналогию с усло­виями происхождения горных пород. Так же, как и в горных породах, тектонические формы рельефа образуются в резуль­тате эндогенных процессов; эрозионные и аккумулятивные формы рельефа близки по условиям происхождения к экзоген­ным процессам.

Это свидетельствует о единстве и влиянии физико-географических и геологических процессов на все про­цессы, происходящие на Земле и природе в целом.

Профессиональная направленность материала темы оцени­вается значительным влиянием геоморфологии при выборе площадок для строительства зданий и сооружений. Поэтому принятие инженерного решения без знания геоморфологии, как и инженерной геологии, может быть просто ошибочным. Воспи­тательную направленность учебного материала можно опреде­лить путем рассмотрения элементов геоморфологии в диалек­тическом развитии и единстве с ранее рассмотренным мате­риалом. Необходимо подчеркнуть роль советских ученых в становлении и развитии науки о рельефе земной поверхно­сти—В. В. Пиотровского, 3. А. Макеева, И. П. Герасимова.

 

Вопросы для самопроверки

1. Что изучает геоморфология?

2. Что называется элементами и формами рельефа?

3. Какие существуют элементы рельефа?

4. Как подразделяются формы рельефа?

5. Назовите идайте характеристику положительных и отрицательных  форм рельефа.

6. Какие существуют формы рельефа по размерам?

7. Дайте характеристику основным типам рельефа.

 

ТЕМА 2.5 ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Проблемную ситуацию можно рассмотреть при изложении видов воды в зависимости от условий залегания, в частности образования верховодки. Сказав о том, что верховодка образу­ется как временное скопление воды, можно задать такой вопрос обучающимся: каким образом может образоваться верхо­водка? Вопрос не простой, тем более, что объем знаний по ин­женерной геологии у них пока недостаточен. Однако при ответе на этот вопрос им надо хорошо подумать (причем в сравни­тельно короткое время), используя пространственное воображе­ние, накопленные знания по другим предметам. Преподавателю  надо оказать помощь обучающимся по моделированию этого процесса.

Если верховодка является временным скоплением воды, то что может быть источником питания? Наверное, в первую оче­редь атмосферные воды. Такими или аналогичными вопросами надо активизировать мышление обучающихся и с их помощью найти правильный ответ.

При рассмотрении межпластовых подземных вод можно соз­дать проблемную ситуацию, характеризуя артезианские напор­ные воды. Этот материал близок обучающимся, поскольку многие из них знают или слышали об артезианских водах как источнике водоснабжения. Можно задать такой вопрос: при ка­ком залегании межпластовых вод возникает напор? Ясно одно, что при горизонтальном залегании слоев воды никакого напора не будет, поэтому ни о какой артезианской скважине не может быть и речи. Здесь надо включить в работу обучающихся и с их помощью сконструировать тот вариант ответа, при котором межпластовые воды станут напорными и тем самым создадутся условия для устройства артезианской скважины.

Материал настоящей темы несет в себе много информации, насыщен формулами и рисунками, поэтому необходимо приме­нение технических средств обучения и контроля.

Ряд рисунков обладает некоторой сложностью и требует значительного времени для вычерчивания на доске. К таким следует отнести рисунки: залегание почвенных, грунтовых и межпластовых вод, артезианская вода, схе­ма устройства строительных котлованов. Эти рисунки следует изображать с помощью кодоскопа или презентаций,  что позволит преподавателю уделить больше внимания объяснению учебного материала.

 Что касается схем, то они сравнительно просты и их следует вычерчивать на доске в процессе чтения лекции.

Некоторые вопросы  этой  темы  представляют определенную трудность  для обучающихся, поэтому  можно провести тестирование и проверить усвоение обучающимися  этого материала.

Можно рекомендовать следующие внутрипредметные и меж­предметные связи: излагая химический состав подземных вод и особенно их агрессивность, полезно сделать небольшой экскурс в курс химии: остановиться на характеристике таких соедине­ний, как соли кальция и магния, влияющих на жесткость воды. Следует подробнее рассмотреть агрессивность подземных вод и характер протекающих при этом химических реакций; объясняя сущность гидрогеологических карт, можно провести аналогию с состоянием ситуационных планов, геодезических карт на ос­нове тахеометрических съемок и т. д., изучаемых в курсе инже­нерной геодезии; используя курс гидравлики, есть смысл более подробно остановиться на отдельных терминах, применяемых в гидрогеологии: ламинарном и турбулентном течении, плоском и радиальном потоках, кривой и радиусе депрессии, дебите,  гидравлическом  градиенте и т. д.

При изложении материала темы следует обратить внимание обучающихся на важное профессиональное значение изучаемых вопросов. Действительно, с одной стороны, подземные воды по­зволяют решить такие жизненно необходимые вопросы, как обеспечение населения питьевой водой, с другой — подземные воды во многих случаях осложняют строительство зданий и со­оружений. Нет необходимости доказывать, что строительство одного и того же здания в сухих и обводненных грунтах имеет колоссальную разницу. Строительные работы при высоком стоянии подземных вод проводятся со значительным удорожа­нием, при этом необходимо разработать мероприятия по сохра­нению природной структуры грунтов. Поэтому значение расчетов водопритоков  в строительные  котлованы  трудно переоценить.

Следует отметить также, что наука гидрогеология прямо связана с вопросами охраны окружающей среды. Охрана подземных источников от всякого рода промышленных и бытовых отбросов — задача каждого коллектива и каждого гражданина нашей страны. Запасы подземных вод большие, но они не яв­ляются неиссякаемыми и их надо беречь. Особо следует оста­новиться на утечке воды из водоводов, строительстве иррига­ционных сооружений, мелиорации. Они обусловливают повыше­ние уровня подземных вод и тем самым наносят значительный непоправимый вред устойчивости существующих зданий и со­оружений. Восстановление и реконструкция таких зданий стоят очень дорого и сопряжены  с большими трудностями.

Вопросы для самопроверки

1. Что изучает гидрогеология?

2. Какие существуют виды подземных вод?

3. Как подразделяются подземные воды по видам агрессивности?

4. Что называется режимом подземных вод?

5. Какие существуют виды гидрогеологических карт?

6. Что собой представляют плоский и радиальный потоки?

7. Какими уравнениями описывается движение плоского и радиального потоков?

8. Как определяется водоприток в строительные котлованы?

9. Что называется коэффициентом фильтрации грунта и какими метода­ми он определяется?