Для строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог и железнодорожного полотна применяют разнообразные природные и искусственные дорожно-строительные материалы.
К природным материалам относятся такие породы, которые добываются в верхних слоях земной коры и используются после несложной механической обработки для придания частицам материала нужных размеров, формы и состояния поверхности (песок, глина, щебень, гравий, природный асфальт и др.). Искусственные материалы изготавливают из природного сырья или отходов промышленности путем их обработки по специальной технологии, способствующей образованию новых материалов с другими, чем у исходных, свойствами (цемент, битум, цементобетон и др.).
Пески. Состоят из частиц крупностью 0,05…5 мм, не связанных между собой, из-за чего пески хорошо пропускают воду. Без примесей пески, независимо от влажности, пластичностью не обладают. Если в песке содержатся частицы меньше 0,05 мм, то он считается пылеватым! Если же в песке есть частицы мельче 0,005 мм, то он называется глинистым. Наиболее прочными являются кварцевые пески (белого цвета). При наличии примесей окислов железа пески могут быть желтыми, красными. В зависимости от размеров частиц пески могут быть крупнозернистыми, среднезернистыми, мелкозернистыми, очень мелкозернистыми и тонкозернистыми. Применяют песок для подстилающих слоев дорожных одежд, устройства дренажа, в цементо- и асфальтобетонах. Плотность песка 1,6…1;75 т/м3. Пылеватые пески в земляном полотне не используются, так как при увлажнении приобретают свойства плывунов.
Гравий. Представляет собой окатанные водой обломки горных пород размером от 3 до 70 мм. Плотность гравия 1,8…2,0 т/м3. Добытый в карьере гравий может содержать песок. Если песка более 50%, то материал называется гравийно-песчаным. Гравий находит применение в покрытиях, конструктивных слоях дорожных одежд, в дренажах, асфальто- и цементобетоне, в качестве балластного слоя на железнодорожном полотне.
Щебень. Представляет собой смесь угловатых обломков скальных пород размером 5…70 мм. Щебень может быть природный и изготовленный путем дробления. Для дорожного строительства применяют 5 сортов щебня: крупный (40…70 мм), средний (20…40 мм), мелкий (10…20 мм),, клинец (5… 10 мм), высевки (ме,ньше 5 мм). Плотность щебня 1,6…2 т/м3.
Территория области находится на стыке двух крупнейших тектонических структур.
Северо-запад области расположен на Балтийском кристаллическом щите, где выходят на поверхность архейские и раннепротерозойские породы. Они образовались более 600 миллионов лет назад в результате мощных вулканических извержений. Поэтому на этой территории основными полезными ископаемыми являются гранит, облицовочный камень и песчано-гравийный материал.
На южных берегах Финского залива и Ладожского озера в кембрийский период (около 500 миллионов лет назад) сформировались мощные толщи осадочных пород (синих глин с прослойками песчаников).
Приблизительно 400 миллионов лет назад, в ордовикский период, произошло образование оболовых песчаников, содержащих месторождения фосфоритов и горючих сланцев (запад области). На юге области на поверхность выходят породы девонского периода.
В восточной части области близко к поверхности находятся породы, образовавшиеся в каменноугольный период. Там присутствуют месторождения бокситов, известняков и доломитов.
Окончательно рельеф области сформировался в четвертичный период в результате четырёх оледенений и последовательно сменявших их межледниковых эпох. Поэтому на большей части области присутствуют месторождения торфа, глины и песка.
Территория юго-запада Ленинградской области постоянно в течение многих лет испытывает негативное воздействие различных антропогенных источников, которые находятся как на рассматриваемой площади, так и за ее пределами. В первую очередь к ним относятся промышленные предприятия, транспортные и сельскохозяйственные комплексы. Наиболее существенное влияние на геологическую среду оказывает деятельность Кингисеппского месторождения фосфоритов. В районе месторождения происходит нарушение природных ландшафтов на глубину до 25 м, загрязнение вод р. Луга и ее притоков медью, цинком, фосфатами. К важным с экологической точки зрения объектам исследуемого района относится комплекс защитных сооружений (КЗС) Санкт-Петербурга от наводнений, который возводится в створе пос. Горская, о. Котлин, пос. Бронка. Строительство КЗС уже явилось мощным фактором техногенного изменения дна Невской губы. По данным мониторинга 1993-2002 гг. установлено, что в Невской губе продолжается накопление осадков с повышенным содержанием целого ряда токсичных элементов - N, Со, РЬ и Ag.
Минералы - природные физико-химические соединения, возникающие при химических и физико-химических процессах, протекающих в земной коре.
Следует подчеркнуть, что в отличие от горных пород, минерал в любой точке своего объема характеризуется одной и той же химической формулой, что относится также к мономинеральным горным породам.
Наука, занимающаяся изучением горных пород, носит название петрография /от латинского petra (скала)/, а занимающаяся изучением минералов - минералогия. Основы современной минералогии заложены В.И.Вернадским, У.Бреггом, В.Гольдшмидтом, А.Е.Ферсманом и др.
В настоящее время известно более З000 минералов, но иногда встречается и большая цифра, что объясняется тем, что некоторые минералы имеют несколько названий. Так, разновидностями корунда являются рубин, сапфир, в свою очередь сапфир в зависимости от окраски может называться падпараджа, лейкосапфир, звездчатый сапфир.
Минералы в природе встречаются в трех агрегатных состояниях. Большинство находится в твердом состоянии (кварц, кальцит, биотит и пр.), другие в жидком состоянии (ртуть, вода, растворы солей, минералов и т.д.), а также в газообразном (воздух, инертные газы, пары).
В инженерной геологии изучение минералов и горных пород имеет сугубо практическое значение. Минералы образуют горные породы, либо сами являются основаниями, материалом и средой сооружений (в виде мономинеральных горных пород). Макроскопическому (визуальному) изучению минералов и горных пород посвящено настоящее пособие.
Речные долины — это узкие, по сравнению со своей длиной, и большей частью извилистые понижения в земной поверхности, имеющие на всем протяжении уклон от верховий к устью и ступенчатые склоны. Особенностью речных долин является их транзитное развитие относительно климатических поясов и зон, и тектонических условий. То есть они существуют во всех климатических поясах и зонах (за исключением областей, покрытых льдом) и в различных структурных обстановках и часто переходят из одной зоны в другую. Реки являются главными переносчиками материала с суши в моря и океаны. Более 15 млрд τ наносов ежегодно они поставляют в моря и океаны. Речные долины и выполняющий их аллювий имеют большое теоретическое и практическое значение во многих областях геологии и геоморфологии, не говоря об их роли в жизни человека. Реки определяли основные места зарождения и развития цивилизаций. Энергия рек используется в гидростанциях. Речные долины являются вместилищем многих полезных ископаемых — строительных материалов, торфа, воды, россыпей золота, алмазов, хрусталя и многих других ценных минералов.
Породы из группы углистые и битуминозные. Их важнейшие представители (торф, каменный уголь, горные сланцы). Их строительные особенности, влияние на химический и биологический состав подземных вод, формирование патогенных зон.
Углистые породы – высокозольные углистые образования, которые залегают в основном в кровле буроугольного пласта. Их количество достигает 50 % от добываемого угля.
Битуминозные породы – горные породы, преимущественно осадочные, пористые, сланцеватые и трещиноватые, заключающие в себе органические вещества в виде битумов и пиробитумов.
Торф - органическая горная порода, образующаяся в результате отмирания и неполного распада болотных растений в условиях повышенного увлажнения при недостатке кислорода.
Торф как строительный материал имеет применение в гидротехническом и дорожном строительствах (приканальные дамбы, антифильтры, дорожные насыпи). Кроме того, широкое применение в строительстве зданий специального назначения имеют торфоизоляционные плиты и торфяные панели, производство которых предъявляет особенно строгие требования к сырью. Лучшим материалом считается сфагновый торф степенью разложения 5—12%. Видовой состав сфагновых мхов мало влияет на качество плит.
На заторфованных и заболоченных участках, понижение уровня подземных вод, ведет к разложению органического вещества в породах, это способствует увеличению содержания в воде азотосодержащих веществ и железа, выносимого из пород в результате обогащения воды органическими веществами и СО2.
Каменным углём называют осадочную породу, образующуюся при разложении остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Основные запасы каменного угля, добывающегося в настоящее время, образовались в период палеозоя, около 300-350 миллионов лет назад. Каменный уголь добывается уже несколько столетий и является одним из наиболее важных полезных ископаемых. Используется в качестве твёрдого топлива.
В каменноугольной смоле содержатся до 11% фенолов, хорошо растворимых в воде, часть из которых в результате инфильтрации с поверхности угольных складов (отвалов), породных отвалов поступают в горизонты подземных вод.
Сланцы — разнообразные горные породы с параллельным (слоистым) расположением срастаний низко- или средне-температурных минералов (таких как хлорит, актинолит, серицит, серпентин, эпидот, мусковит, альбит, кварц, ставролит), входящих в их состав; в них часто сохраняются реликтовые структуры. Сланцы характеризуются сланцеватостью — способностью легко расщепляться на отдельные пластины. Относятся к терригенным или к метаморфическим горным породам.
В некоторых, например, в золенгофенских сланцах (плотных тонкозернистых породах, предположительно, образовавшихся в морских лагунах) обычно содержится множество ископаемых останков.
В строительстве применяется в качестве наружного отделочного материала, а также как верхний слой кровли (шифер).
Минерал - природное образование, однородное по внутреннему строению, химическому составу и физическим свойствам. Минералы являются составной частью горных пород.
Главные факторы, влияющие на свойства пород, - минеральный состав и структура.
Содержащиеся в составе горных пород минералы разделяются на породообразующие и второстепенные. Первые участвуют в образовании горных пород и обусловливают их свойства; второстепенные встречаются в них только в виде примесей.
Минералы обладают рядом характерных свойств, оказывающих большое влияние на технические свойства пород, среди которых следует особо выделить твердость, спайность, излом, блеск, окраску, плотность. Эти свойства зависят от строения и прочности связей в кристаллической решетке.
Показатель твердости материала имеет большое практическое значение, так как косвенно позволяет судить о механических свойствах природного камня. Оценивается по шкале Мооса(состоит из десяти минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, полевой шпат, кварц, топаз, корунд и алмаз). Определение твердости производится пробой на царапанье и выражается порядковым числом соответствующего эталона в шкале, оставляющего царапину на испытуемом образце.
Спайность проявляется в виде способности минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием гладких зеркальных поверхностей-плоскостей спайности. Спайность служит важным Диагностическим признаком минералов и помогает предварительной оценке механических свойств природных материалов.
Излом является характеристикой неровной поверхности раскола минерала, прошедшего не по направлениям спайности. Она позволяет диагностировать и оценивать свойства минералов.
Плотность(истинная) колеблется у минералов от значений, меньших единицы (озокерит), до 20 и выше (осмистый иридий). Она зависит от химического состава и структуры, атомной массы элементов, их ионных радиусов и валентности. Числовые значения плотности помимо диагностических характеристик имеют практическую ценность при оценке качества минерального сырья и используются при его обогащении.
Окраска(сохраняется постоянной, определяющее значение для декоративной характеристики природного камня). Обусловлена присутствием красящих элементов в составе минерала(Сг, Mn, Fe) или посторонних тонкоокрашенных примесей.
Блеск возникает в результате отражения световых лучей от поверхности минерала и имеет важное диагностическое значение.
"Хорошие" минералы(прочные, нерастворимые): кварц, полевой шпат, слюда(анизотропна).
Карбиды имеют высокую прочность, малорастворимы в воде.
Сульфаты имеют меньшую прочность, растворимы в воде.
Галоиды хорошо растворимы в воде и агрессивны по отношению к конструкции.
Алюмосиликаты имеют высокую прочность(но слюда анизотропна)
Хлорид образует хлорит.сланцы прочные, но анизотропные(разл св-ва в разных направлниях)
Формирование агрессивности подземных вод в значительной степени обусловлено особенностями минерального состава породы и наличием в грунтах пирита (до 0,8 %). Строительство и эксплуатация сооружений на таких грунтах сопровождается увеличением сульфатной и общекислотной агрессивности вод и грунтов. Анализ минеральных и геохимических особенностей пород позволяет говорить о развитие в настоящее время на отдельных участках процессов окисления. Проводится оценка возможности изменения химического состава и агрессивных свойств грунтовых вод и грунтов в период строительства и эксплуатации сооружений.
Углистые породы - осадочные горные породы, окрашенные в серый или черный цвет углистыми веществами. По составу это смешанные гумусово-глинистые или гумусово-алевритовые породы. Среди них различают углистые глины, углистые аргиллиты, углистые сланцы. Разделение углистых пород на типы основывается на качественном и количественном соотношении составляющих их органических и неорганических микрокомпонентов.
Углистые породы используют для получения строительных материалов и изделий, в первую очередь, кирпича и легких пористых заполнителей. Чаще всего углистые породы используются как грунтовый материал в строительстве гидротехнических сооружений(для возведения дамб).
Битуминозные породы - содержащие природные битумы(твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных, не растворимы в воде). К битуминозным горным породам относятся известняки, доломиты и песчаники, содержащие природный битум, а также пески и другие грунты, связанные битумом. При содержании в них битумов более 1-2%, они начинают становиться экономически привлекательными в своем в естественном виде для извлечения и называются битумсодержащими породами (БСП). БСП – твердые нерудные полезные ископаемые, являющиеся в естественном виде полезными ископаемыми, использовать которые после извлечения из недр можно без обработки или после незначительной переработки.
Способность битуминозных пород уплотняться и качество получаемых гранул зависят от свойств основных компонентов и, в первую очередь, от количества и качества природного битума
Фазовая газопроницаемость битуминозных пород существенно зависит от градиента давления, причем существует предельное его значение, ниже которого они непроницаемы.
Формы нахождения минералов в природе разнообразны и зависят главным образом от условий образования.
Минералы встречаются в виде хорошо оформленных отдельных крупных и мелких кристаллов, ограниченных закономерно расположенными гранями, образующими кристаллические многогранники (алмаз, кварц, слюда, гипс и др.), зерен неправильной формы, обладающих кристаллическим строением (частицы кристаллического песка), а также аморфных тел, не обладающих кристаллическим строением (например, опал).
По внешнему виду кристаллы бывают столбчатые или призматические, пирамидальные и дипирамидальные, равномерно развитые во всех направлениях (изометричные), пластинчатые, листоватые, чешуйчатые, игольчатые, волокнистые, копьевидные. Наряду с отдельными кристаллами встречаются закономерные их сростки – двойники, тройники или незакономерные сростки, состоящие из большого количества сросшихся кристаллов или зерен минералов – агрегаты.
Наиболее часто минералы образуют скопления неправильно сросшихся зерен одного или нескольких минералов и их относят к группе зернистых агрегатов. Встречаются минералы, которые имеют несвойственную для них форму кристаллов и агрегатов. Такие формы, образующиеся при замещении минерала новыми соединениями и приобретающими форму прежнего минерала, называют псевдоморфозами(псевдоморфозы лимонита по пириту).
1) Дендриты – ветвящиеся древовидные срастания отдельных зерен минерала(самородные элементы – золото, медь, окислы марганца).
2) Друзы (щетки) – наросты хорошо сформированных кристаллов, на какой либо поверхности (трещины, пустоты горных пород). Формируются при циркуляции минеральных растворов в пустотах и трещинах. Встречаются друзы кварца, пирита, топаза, кальцита и других минералов.
3) Секреции образуются при заполнении какой-либо естественной полости от периферии к центру минеральным веществом из водных растворов или путем диффузии вещества. Мелкие секреции называются миндалинами, крупные – жеодами. Крупные секреции часто имеют полость, стенки которой покрыты друзами кристаллов или натечными образованиями(разновидности аметиста, халцедона, агата и др).
4) Конкреции – шарообразные, сплюснутые или неправильной формы минеральные агрегаты, образующиеся в результате кристаллизации (стяжения) минерального вещества вокруг какого-либо центра (органический остаток, другой минерал). Наиболее характерны железо-марганцевые конкреции на дне Мирового океана, сидеритовые, фосфоритовые, кальцитовые конкреции в толщах осадочных и метаморфических пород.