Инженерная геология

 
 
 
 
А. Б. Лолаев, В. В. Бутюгин 
 
 
 
 
 
 
ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК 624.131.1 
ББК 26.3 
Л68 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры прикладной  
геологии ФГБОУ ВО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт 
(государственный технологический университет)» Васьков Игорь Михайлович; 
кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник Комплексного 
научно-исследовательского отдела ФГБУН ФНЦ «Владикавказский научный 
центр Российской академии наук» Бадоев Александр Сергеевич 
 
 
 
 
Лолаев, А. Б. 
Л68  
Инженерная геология : учебник / А. Б. Лолаев, В. В. Бутюгин. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 256 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1040-3 
 
Даны основы геологического знания, а также теоретико-методические  
основы инженерной геологии, ее положение в системе геологических наук,  
состав и строение, химические, физико-химические, физические, биотические 
и физико-механические свойства грунтов. 
Для студентов направления подготовки 21.00.00 «Прикладная геология, 
горное дело, нефтегазовое дело и геодезия». Может быть полезно студентам других специальностей в области инженерной геологии и грунтоведения, строительства, в том числе и дорожного, а также преподавателям высших учебных заведений горных и строительных вузов. 
 
УДК 624.131.1 
ББК 26.3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1040-3 
” Лолаев А. Б., Бутюгин В. В., 2022 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ  
....................................................................................................... 6 
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ ................................ 8 
1.1. Введение в геологию  
......................................................................................... 8 
1.2. Форма и строение Земли ................................................................................... 9 
1.3. Термодинамические условия  ......................................................................... 11 
1.4. Вещественный состав земной коры  .............................................................. 14 
1.5. Геологические процессы и явления  .............................................................. 21 
1.6. Геологическая хронология земной коры  ...................................................... 36 
Вопросы для самоконтроля  ................................................................................... 41 
ГЛАВА 2. ОСНОВЫ ГРУНТОВЕДЕНИЯ ......................................................... 41 
2.1. Изучение горных пород как многокомпонентных систем 
........................... 42 
2.2. Теоретические основы классификации грунтов ........................................... 43 
2.3. Основной закон грунтоведения ...................................................................... 45 
2.4. Связь грунтоведения с другими науками  ..................................................... 47 
Вопросы для самоконтроля  ................................................................................... 50 
ГЛАВА 3. СОСТАВ ГРУНТОВ  ........................................................................... 51 
3.1. Твердая компонента грунтов  ......................................................................... 51 
3.1.1. Характер структурных связей твердой компоненты грунта .............. 51 
3.1.2. Минералы, определяющие свойства грунта 
......................................... 52 
3.2. Жидкая компонента грунтов ........................................................................... 57 
3.2.1. Общая характеристика жидкой компоненты грунтов 
......................... 57 
3.2.2. Влияние жидкой компоненты на свойства грунтов  ........................... 60 
3.3. Газовая компонента грунтов ........................................................................... 62 
3.3.1. Происхождение и состав газов в грунтах ............................................. 62 
3.3.2. Влияние газовой компоненты на свойства грунтов  ........................... 64 
3.4. Биотическая составляющая грунтов  ............................................................. 66 
3.4.1. Общие сведения  
...................................................................................... 66 
3.4.2. Влияние биотической составляющей на грунты ................................. 66 
Вопросы для самоконтроля .................................................................................... 69 
ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ ГРУНТОВ  
...................................................................... 70 
4.1. Морфология структурных элементов грунтов 
.............................................. 70 
4.2. Структуры и текстуры грунтов 
....................................................................... 72 
4.3. Трещиноватость пород .................................................................................... 86 
4.4. Структурные связи в грунтах  
......................................................................... 89 
Вопросы для самоконтроля .................................................................................... 94 
ГЛАВА 5. СВОЙСТВА ГРУНТОВ И ФАКТОРЫ,  
ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ  
........................................................................................ 94 
 
 
3 
 

5.1. Физические свойства грунтов ......................................................................... 94 
5.1.1. Плотностные свойства грунтов  ............................................................ 94 
5.1.2. Применение показателей плотностных свойств в расчетах  .............. 97 
5.1.3. Водно-физические свойства грунтов  ................................................... 98 
5.1.4. Газофизические свойства грунтов 
....................................................... 104 
5.1.5. Теплофизические свойства грунтов .................................................... 105 
5.1.6. Электрические и электрокинетические свойства грунтов 
................ 108 
5.1.7. Магнитные свойства грунтов  
.............................................................. 109 
5.1.8. Радиационные свойства грунтов  ........................................................ 110 
5.2. Физико-механические свойства грунтов ..................................................... 111 
5.2.1. Деформационные свойства грунтов  
................................................... 111 
5.2.2. Прочностные свойства грунтов ........................................................... 120 
5.2.3. Реологические свойства грунтов ......................................................... 126 
5.2.4. Динамические свойства грунтов ......................................................... 127 
5.3. Химические свойства грунтов  ..................................................................... 132 
5.4. Физико-химические свойства грунтов  
........................................................ 135 
5.5. Биоагрессивность и биокоррозия в грунтах ................................................ 142 
Вопросы для самоконтроля  ................................................................................. 143 
ГЛАВА 6. ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУНТОВ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ... 144 
6.1. Общая классификация грунтов  
.................................................................... 144 
6.2. Класс природных скальных и полускальных грунтов ............................... 149 
6.3. Класс природных дисперсных грунтов  
....................................................... 155 
6.4. Класс природных мерзлых грунтов  
............................................................. 165 
6.5. Класс техногенных грунтов .......................................................................... 172 
Вопросы для самоконтроля .................................................................................. 181 
ГЛАВА 7. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  
МАССИВОВ ГРУНТОВ ...................................................................................... 182 
7.1. Общие представления о массиве горных пород ......................................... 182 
7.2. Факторы, определяющие свойства массивов грунтов 
................................ 184 
7.3. Характеристика массивов грунтов разных типов  ...................................... 193 
7.4. Нормативные и расчетные показатели ........................................................ 201 
7.5. Инженерно-геологический элемент как структурная  
единица массива .................................................................................................... 203 
Вопросы для самоконтроля  ................................................................................. 205 
ГЛАВА 8. ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОДИНАМИКИ  .......................... 206 
8.1. Понятие об инженерно-геологических процессах 
...................................... 206 
8.2. Факторы, определяющие развитие  
инженерно-геологических процессов  ................................................................ 209 
8.3. Классификация процессов в инженерной геологии ................................... 212 
4 
 

8.4. Особенности изучения инженерно-геологических процессов .................. 213 
Вопросы для самоконтроля  ................................................................................. 219 
ГЛАВА 9. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ,  
ИХ СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ................................................................ 219 
9.1. Цель и задачи инженерно-геологических изысканий ................................ 219 
9.2. Основные этапы инженерно-геологических изысканий  
........................... 223 
9.3. Стадийность инженерно-геологических изысканий .................................. 226 
9.4. Виды и методы инженерно-геологических изысканий  
............................. 228 
9.5. Инженерно-геологическое картирование  ................................................... 235 
9.6. Инженерно-геологическая типизация и районирование территорий 
....... 239 
9.7. Охрана природной среды как общечеловеческая задача ........................... 242 
Вопросы для самоконтроля .................................................................................. 248 
ЛИТЕРАТУРА ....................................................................................................... 249 
 
 
5 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
В предлагаемом учебнике (учебном пособии) авторы предприняли попытку 
обобщить новейшие данные в учении о грунтах, представленные в работах выдающихся ученых-грунтоведов и инженеров-геологов (М. М. Филатов, Ф. П. Саваренский, В. А. Приклонский, И. В. Попов, М. П. Семенов, Н. В. Коломенский, 
Е. М. Сергеев, Г. А. Голодковская, Р. С. Зиангиров, В. И. Осипов, В. Т. Трофимов, Е. А. Вознесенский, В. А. Королев, В. П. Ананьев, Л. В. Передельский, 
В. Д. Ломтадзе и многие другие). Ценность их как теоретических классических 
трудов неоспорима. В отличие от этих трудов данная книга написана в теоретико-практическом плане. 
С учетом собственного опыта преподавания предметов «Инженерная геология», «Грунтоведение», «Механика грунтов», «Механика вечномерзлых грунтов» авторы попытались кратко и в то же время достаточно полно и доступно 
изложить фундаментальные теоретико-методологические позиции грунтоведения, отразить многообразие факторов, влияющих на свойства грунтов, их поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями и методы инженерногеологического изучения территорий при хозяйственном освоении. 
Структура учебника (учебного пособия) следующая.  
В первой части книги дается общее представление о строении Земли, приводятся характеристика минералов и горных пород, а также общие сведения о геологических процессах, происходящих как внутри Земли, так и на ее поверхности. 
Необходимость данного раздела нами объясняется тем, что студентам учебных 
заведений негеологического профиля без знаний элементарных понятий основ 
геологии и геологической терминологии достаточно сложно приступить к изучению инженерной геологии и грунтоведения, являющихся самостоятельным направлением в геологии. 
Следующая часть посвящена теории и методологии грунтоведения, на основе 
представлений которых грунт рассматривается как многокомпонентная динамичная система, приводятся свойства грунтов, факторы, их определяющие, дается инженерно-геологическая характеристика грунтов различных классов. 
В заключительной части издания приведены инженерно-геологическая характеристика массивов грунтов, сведения об инженерно-геологических процессах, структура и методика инженерно-геологических исследований территорий, 
предназначенных для хозяйственного освоения.  
Следует отметить, что в связи с ограниченностью объема и необходимостью 
отражения учебного материала в соответствие с программой курса не все ее 
главы написаны с одинаковой полнотой. При отборе учебного материала авторы 
учитывали, что освоение дисциплин предусматривает изучение прежде всего тех 
разделов, которые дают возможность студентам с наибольшей полнотой усвоить 
цели и задачи дисциплин. Для закрепления полученных знаний по мере изучения 
лекционного материала целесообразны проведение практических занятий и проработка рекомендованной литературы к пособию. Важное место в образовательном процессе также занимает самостоятельная работа студентов. По окончании 
каждой главы даны вопросы для самоконтроля, а по окончании глав 3, 5 и 7 
6 
 

приведен перечень лабораторных и самостоятельных занятий, рекомендуемых 
для проработки на основе соответствующей литературы. 
Представленные материалы подготовлены на основе рабочих программ дисциплин «Геология», «Инженерная геология», «Основы инженерной геологии», 
«Геология и грунтоведение», «Изыскания и проектирование», являющихся частью программы подготовки специалистов в соответствии с требованиями 
ФГОС ВО по направлениям подготовки:  
- 05.03.01 «Геология», утвержденного приказом Министерства образования 
и науки РФ от 07.08.2020 г. № 896; 
- 08.03.01 «Строительство», утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от 31.05.2017 г. № 481; 
- 21.05.04 «Горное дело», утвержденного приказом Министерства образования и науки РФ от 12.08.2020 г. № 987; 
- 21.05.02 «Прикладная геология», утвержденного приказом Министерства 
образования и науки РФ от 12.08.2020 г. № 953. 
Настоящее пособие будет полезно студентам при овладении универсальными 
(УК), общепрофессиональными (ОПК) и профессиональными (ПК) компетенциями. 
Контроль и оценка результатов освоения учебных дисциплин осуществляется 
преподавателем в процессе проведения практических занятий, лабораторных работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, проектов, исследований. 
Мы надеемся, что данное пособие будет полезно для использования студентами и других специальностей в области инженерной геологии и строительства, 
в том числе и дорожного, а также преподавателями высших и средних учебных 
заведений горных и строительных вузов и техникумов. 
Авторы искренне благодарят рецензентов за ценные советы по улучшению 
содержания книги и устранению ее недостатков. 
Авторы будут искренне благодарны за все пожелания и замечания, которые 
читатели могут присылать по адресу: 362025, г. Владикавказ, ул. Ватутина  
44-46, ФГБОУ ВО СОГУ им. К. Л. Хетагурова. 
 
 
7 
 

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ 
В настоящем разделе в краткой форме изложен курс общей геологии, ознакомление с которым на основе геологической терминологии должно сформировать у студента общее представление о сложности строения Земли, взаимосвязи 
геологических процессов, происходящих на ее поверхности и в недрах, их влиянии на общий облик поверхности Земли, вещественном составе земной коры, его 
многообразии, динамичности - минералах и горных породах, сформировавшихся в разнообразных условиях и в конечном итоге объединенных в единое понятие грунт, как предмет изучения грунтоведения. 
1.1. Введение в геологию 
Геология - одна из важнейших наук о Земле, она занимается изучением состава, строения, истории развития Земли и процессов, протекающих в ее недрах и 
на поверхности. Современная геология использует новейшие достижения и методы ряда естественных наук - математики, физики, химии, биологии, географии, в результате чего сформировались важные направления геологии: геофизика, геохимия, кристаллохимия и т.д. которые позволяют получать данные о составе, состоянии и свойствах глубоких горизонтов. 
Изучением вещественного состава Земли занимается следующий комплекс 
геологических наук: петрография – наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы, их состав, структуру, условия образования; литология - наука, изучающая осадочные горные породы; минералогия – наука, изучающая минералы, как природные химические соединения или отдельные химические элементы, слагающие горные породы; кристаллография и кристаллохимия - науки изучающие кристаллы и кристаллическое состояние минералов. 
Изучение вещественного состава Земли производится прямыми и косвенными методами. К первым относятся непосредственное изучение горных пород 
в естественных обнажениях на берегах рек, морей, в подземных и открытых горных выработках (шахты, карьеры), кернов буровых скважин. Однако такое изучение ограничено относительно небольшими глубинами, сверхглубокая скважина, пробуренная на Кольском полуострове, имеет глубину около 12,5 км. Отдельные сведения о более глубоких горизонтах, доступные для непосредственного изучения поставляются при извержениях вулканов, которые выбрасывают 
на поверхность обломки пород верхней мантии. 
К косвенным методам изучения строения и вещественного состава Земли, относятся методы геофизики - науки, основанной на исследованиях физических 
полей Земли. К ним относятся: сейсмометрические, магнитометрические, гравиметрические, электрометрические и другие методы. 
Изучением геологических процессов, форм рельефа поверхности, характера 
залегания горных пород и их деформаций занимается динамическая геология. 
Среди разнообразных геологических процессов выделяются две группы: эндогенные, связанные с тепловым воздействием Земли, напряжениями, возникающими в ее недрах, гравитационной энергией и экзогенные, происходящие на 
поверхности и обусловленные энергией Солнца, силой тяжести, действием 
8 
 

водных и воздушных масс, циркуляцией воды на поверхности и внутри земной 
коры, жизнедеятельностью макро- и микроорганизмов. 
В динамической геологии выделяется геотектоника – наука, изучающая 
структуру земной коры и литосферы и их изменения во времени и пространстве. 
Важными разделами динамической геологии являются сейсмология - наука 
о землетрясениях и вулканология, занимающаяся современными вулканическими процессами. 
История геологического развития земной коры и Земли в целом является 
предметом изучения исторической геологии, в состав которой входит стратиграфия, изучающая последовательность формирования толщ горных пород, палеогеография, изучающая физико-географические обстановки на поверхности 
Земли в геологическом прошлом, и палеотектоника, реконструирующая древние структурные элементы земной коры. 
Для расчленения разрезов горных пород и установления относительного геологического возраста отдельных слоев используются данные палеонтологии – 
науки, изучающей ископаемые органические остатки. 
Изучением геологического строения и развития определенных участков земной коры занимается региональная геология. 
Поисками месторождений полезных ископаемых, рудных, нерудных и горючих занимается наука о месторождениях полезных ископаемых. Изучением подземных вод, как полезного ископаемого, а также их происхождения, условий залегания, состава и закономерностей движения занимается гидрогеология. 
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. 
Геологические процессы в областях развития многолетнемерзлых горных пород являются предметом изучения науки - геокриология. 
Сначала освоения космического пространства возникла космическая геология, а изучением океанских и морских глубин занимается морская геология. 
Таким образом, геология как наука о Земле, наряду с решением теоретических проблем, имеет широкое практическое значение: поиск новых месторождений полезных ископаемых, инженерно-геологическое обоснование проектов 
строительства новых сооружений, охрана и рациональное использование природных ресурсов и т.д. 
1.2. Форма и строение Земли 
Земля - одна из восьми планет, вращающихся вокруг Солнца. Несмотря на 
принятое в обиходе представление о Земле в виде шара, в действительности 
форма нашей планеты значительно более сложная. 
Впервые, форму Земли в виде эллипсоида вращения или сфероида теоретически обосновал И. Ньютон, последующими исследованиями было установлено, 
что форма Земли отличается от двухосного сфероида, о чем свидетельствуют 
следующие факты: при разнице полярного и экваториального радиусов 21 км, 
9 
 

Земля еще несколько сжата и по экватору, при этом южный полюс расположен 
ближе к нему, чем северный. В действительности истинная геометрическая фигура Земли еще сложнее, из-за неоднородного внутреннего строения и неравномерного распределения массы она отклоняется от правильной формы сфероида 
и называется геоидом (геоид - это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести, т.е. отвесу). Эта поверхность совпадает с 
уровнем воды в Мировом океане, которая мысленно проводится под континентами и от которой производится отсчет высот рельефа. 
При этом физическая поверхность Земли, осложненная горами и впадинами, 
не совпадает и с поверхностью геоида, отступая от него на несколько километров 
вверх и вниз (горы и впадины). 
В заключение приведем некоторые цифры, характеризующие размеры земного шара. 
Экваториальный диаметр составляет 12 756,5 км; полярный диаметр равен 
12 713,7 км; длина окружности меридиана составляет 40 008,6 км; длина окружности экватора равна 40 075,7 км; объем Земли равен 1080 миллиардам км3. 
Площадь поверхности Земли составляет 510 миллионов квадратных километров, из которых 70,8 представляет Мировой океан и 29,2 - суша. 
Геосферы Земли. С внешней стороны Земля окружена следующими оболочками - атмосфера, гидросфера, литосфера. В слое самого тесного их контакта 
сформировалась особая комплексная оболочка Земли, называемая географической оболочкой, в которой выделяется биосфера - часть географической оболочки, заселенная и измененная организмами. 
Атмосфера - это воздушно-газовая оболочка, окружающая Землю слоем в 
3000 км. Она состоит из трех оболочек: тропосферы, стратосферы, ионосферы. 
Тропосфера - приземный слой атмосферы, его мощность около 6 км (у полюсов) и до 15-18 км (у экватора). Она содержит 9/10 всей массы газов атмосферы: азот (75,5), кислород (23,3); аргон (1,28), углекислота (0,04) и др., 
а также почти весь водяной пар. С удалением от поверхности Земли температура 
резко понижается и на высоте 10-12 км уже достигает (- 50 qС). В тропосфере 
происходит образование облаков, и сосредотачиваются тепловые движения воздуха. 
Стратосфера - следующий за тропосферой слой, распространяется до высоты 80-90 км. Присутствие озона (О3) на высоте 30-55 км обуславливает повышение температуры до 50 qС, но на высоте 80-90 км она снова резко понижается до (- 60-90 qС). 
Ионосфера - верхняя часть атмосферы, переходящая на высоте 3000 км в 
межпланетное пространство. Ионосфера весьма разрежена, ионизирована, имеет 
малую плотность. На высоте 220 км зафиксировано повышение температуры до 
нескольких сот градусов. 
Гидросфера - водная оболочка Земли (океаны, моря, реки, ручьи, озера; материковые льды). Гидросфера играет огромную роль в геологических процессах 
развития Земли. Она не образует сплошного слоя, но покрывает Землю на 70,8. 
Средняя мощность - 3,8 км; максимальная глубина - более 11 км. 
10