Мосин К.Ю. Инженерная геология. Учебное пособие
Подождите немного. Документ загружается.
111
сланцы). Состояние это целиком зависит от величины гидравлического
градиента j, и, при изменении гидродинамического режима
(уменьшении j), плывучесть исчезает. Такие плывуны называются
фильтрационными или псевдоплывунами;
из-за особых свойств грунта, определяемых его
минералогическим и гранулометрическим составом. Плывунность
возникает на основе тиксотропных изменений структуры грунта. Такие
плывуны называются тиксотропными или истинными.
Тиксотропия – явление, которое наблюдается в коллоидных
системах и заключается в том, что под влиянием внешнего воздействия
(толчок, встряхивание, вибрация, ультразвук) система теряет структуру
и разрушается, а после удаления воздействия – восстанавливается. К
тиксотропным относят грунты, которые содержат коллоидные частицы,
например – тонкие глины.
ЧАСТЬ VII. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ
Глава 1. Выветривание и связанные с ним явления
Выветриванием называют процесс разрушения и изменения
состава и состояния горных пород под воздействием физических
явлений, химических процессов и деятельности различных
организмов.
Первоначальный смысл термина «выветривание» теперь уже не
отражает сущности процесса и неправильно звучит на русском языке,
вызывая представление о деятельности ветра. В действительности,
геологическая работа ветра не имеет прямого отношения к процессам
выветривания и сводится, в основном, к переносу, измельчению,
шлифовке продуктов разрушения (выветривания). Более правильным
следует считать термин гипергенез, предложенный академиком
Ферсманом.
§ 1. Виды выветривания
Различают насколько видов выветривания: физическое,
химическое и биологическое (органическое) выветривание.
112
На горные породы все указанные виды выветривания обычно
действуют одновременно, но проявляются они, в зависимости от
местных условий, по-разному.
Под влиянием процессов физического выветривания
имеющаяся в горных породах трещиноватость прогрессирует под
воздействием температурных напряжений (суточных колебаний
температуры) и проникающей в трещины и замерзающей и
оттаивающей воды. В результате массив горной породы расчленяется
на отдельные элементы – блоки, отражая отдельность породы. В
дальнейшем, происходит расчленение на все более мелкие элементы –
глыбы, щебень, дресву.
Весь этот обломочный материал может оставаться на месте,
погребая под собой материнскую породу (образуя так называемый
элювий или элювиальные отложения). В других случаях, обломочный
материал может смещаться вниз по склону, иногда вызывая обвалы и
осыпи; такой перемещенный материал называется делювий или
делювиальные отложения.
Химическое выветривание горных пород происходит под
воздействием атмосферных газов, а также воды с растворенными в ней
солями и газами (в основном О
2
и СО
2
). Особенно хорошо
выветриваются гипс, соль, известняки и доломиты (то есть химические
и органические осадки). Из магматических пород наименее стойкими
являются породы глубинного происхождения, например граниты,
диориты, ультраосновные породы.
Химическое выветривание особо интенсивно проявляется в
условиях жаркого и влажного климата. Например, в Африке имеются
значительные по площади так называемые коры выветривания,
мощностью в десятки метров, сложенные продуктами выветривания
магматических пород – бокситами (важнейшая руда на алюминий).
Процессы биологического (органического) выветривания
очень разнообразны, в них участвуют как микроорганизмы, так и
растительность. Растения действуют на горные породы как
механическим способом (распирание пород растущими корнями,
разрушение от раскачивания деревьев) так и химическим (с помощью
органических кислот, выделяемых корнями). Особенно активно
действуют мхи и лишайники, которые разъедают даже самые твердые
породы. Роль микроорганизмов очень велика как активаторов
химических процессов.
Основное значение выветривания, как инженерно-
геологического процесса заключается в ослаблении подвергшихся
выветриванию пород, связанном с их расчленением (дезинтеграцией) и
113
разложением. Сопротивление нагрузке выветрелых скальных пород во
всех случаях понижается. Этот фактор отражается, прежде всего, в
повышенной трещиноватости. Обычно в приповерхностной части
выделяют так называемую зону повышенной трещиноватости или
зону выветривания мощностью от нескольких метров до нескольких
десятков метров, например у гранитов.
В областях тектонического дробления, разрывов, в ядрах
складок зона активного выветривания может распространяться по этим
тектоническим нарушениям на значительную глубину.
Неоднородность затронутой выветриванием толщи, связанная с
различными породами или с тектоническими нарушениями, влечет за
собой неравномерность осадки различных частей сооружения,
построенного на этой толще.
Характерно, что выветривание водоустойчивых пород
происходит лишь на горизонтах, лежащих выше уровня поверхностных
и подземных вод. То есть, подземные воды прекрасно защищают
породы от выветривания. Например, под покровом разрушенных
выветриванием древних глин, ниже УГВ эти глины настолько хорошо
сохранились, что на них была построена высокая (93м) плотина
Минчегаурской ГЭС в Азербайджане.
§ 2. Меры борьбы с процессами выветривания
На практике зона интенсивно выветрелых пород (зона
повышенной трещиноватости) обычно перед строительством
удаляется. В тех случаях, когда мощность этой зоны слишком велика
(несколько десятков метров), съем невозможен или экономически
нецелесообразен; предусматриваются специальные инженерные
мероприятия для обеспечения устойчивости и прочности
проектируемых сооружений. К таким мероприятиям относятся:
1. Покрытие горных пород непроницаемыми для агентов
выветривания материалами. Наилучшим материалом для защитного
покрытия является суглинок, так как он обладает почти
универсальными защитными свойствами. Уложенный слоем
достаточной мощности, он не пропускает ни жидких, ни газообразных
агентов выветривания и может погасить резкие колебания
температуры. Кроме того, суглинок, как продукт наиболее поздних
стадий выветривания, сам мало подвергается разрушению. Хорошими
защитными свойствами обладает бетон, но это более дорогой материал,
кроме того, он сам может разрушаться. Песок защитит породу от
колебаний температуры, но не задержит жидкие и газообразные агенты
выветривания.
114
2. Пропитывание пород различными веществами. В качестве
пропитывающих веществ употребляют жидкое стекло, гудрон и др., а
также – цементный раствор. Следует подчеркнуть, что применение
пропитывающих веществ ограничено теми или иными условиями
(фильтрационными свойствами пород, характером трещиноватости).
3. Искусственная нейтрализация агентов выветривания
достигается путем введения в воду, фильтрующуюся в породе, солей с
целью уменьшить растворяющую способность воды. Способ довольно
дорогой и громоздкий (необходима специальная стационарная
установка).
4. Планировка территорий и отвод вод. Проникновение
поверхностных вод в горные породы можно предотвратить с помощью
планировки территории, мощения, устройства нагорных канав,
ливнестоков. Подземные воды могут быть перехвачены путем
устройства дренажных галерей, колодцев, искусственных завес
(цементации, силикатизации, замораживания).
§ 3. Геологическая деятельность ветра
Геологическая деятельность ветра проявляется на континентах и
состоит в разрушении горных пород, переносе и отложении
(аккумуляции) продуктов разрушения.
В природе это единый процесс. Исключение составляют
пустыни с господствующими ветрами, где в центральных частях
преобладает разрушение, а на окраинах пустынь, у препятствий –
аккумуляция.
Разрушительная деятельность ветра складывается из выдувания
и развевания частиц горных пород – дефляции и механической
обработки поверхностей обнаженных горных пород переносимыми
ветром частицами – корразии.
Корразия и дефляция взаимосвязаны; в результате их
деятельности возникают причудливые фигуры и формы рельефа,
например, качающиеся камни (грибы), образовавшиеся в результате
разработки горизонтальных трещин в породе.
Скорость дефляции невелика и составляет в среднем 17 см/век,
но на отдельных территориях, в зависимости от интенсивности ветров
и прочности пород, может быть и больше (например, в Египте скорость
дефляции – 60 см/век, что очень плохо для архитектурных памятников).
Перенос ветром возможен, в основном, для песчаных и
пылеватых частиц (размером 1мм и менее), хотя при сильных ветрах
(ураганах) переносятся даже небольшие камни. При этом частицы либо
перекатываются по поверхности земли либо переносятся во
115
взвешенном состоянии. При этом частицы истираются друг о друга,
обтачиваются, шлифуются. Перенос иногда осуществляется на очень
большие расстояния и в очень больших количествах. Например, песок
из Сахары переносится сильными пассатами на 2000-2500км над
Атлантическим океаном, а на Канарских островах в 1863г выпало
около 10 млн. тонн песка из Сахары и образовались песчаные дюны.
Песчаные отложения, в основном, представляют собой барханы
и дюны (см. рис. 7.1).
Барханы – песчаные холмы серповидной формы. С наветренной
стороны их склоны пологие, крутизной 8-14°, с подветренной – крутые
(30-35°). Барханы образуются в пустынях.
Дюны – длинные вытянутые валы с асимметричными
наветренным и подветренным склонами. Часто образуются вдоль
побережий.
Рис. 7.1. Барханы: а) общий вид; б) направление ветра при образовании
барханов; I – профиль; II – план.
Для дюн и барханов характерно поступательное движение:
достигнув определенных размеров, они начинают перемещаться в
направлении ветра. Барханы перемещаются со скоростью до 12м/год,
дюны – до 20м/год.
116
Наиболее эффективный и древний метод борьбы с подвижными
песками – закрепление песков растительностью. Сейчас он
используется с предварительным созданием механических защит. Это –
так называемый пассивный метод борьбы.
Активные меры предусматривают управление потоками воздуха,
основанное на законах аэродинамики. Сила ветра ослабляется сетью
преград – лесополос, щитов, заборов, плетней; при этом меняется и
направление переноса рыхлых частиц. Вдоль дорог создаются так
называемые отсечные полосы с определенным профилем и с
покрытием из фиксирующего материала (битума, отходов переработки
нефти и пр.). В результате дороги не заметает.
Глава 2. Геологическая деятельность атмосферных и
поверхностных вод
Атмосферные осадки, выпадая на земную поверхность,
имеющую уклон, стекают по ней в форме тонких струек, увлекая за
собой частицы грунта. Таким образом, осуществляется процесс
плоскостного смыва. Затем вода испаряется или впитывается в
нижележащие грунты, а перенесенные частицы отлагаются на нижних
более пологих частях склона. Такие склоновые отложения называются
делювиальными отложениями или делювием.
Так как живая сила тонких струек воды невелика, делювиальные
отложения обычно представлены глинистыми грунтами – супесью,
суглинком, однако в них часто содержатся более крупные обломки –
дресва, щебень, которые из-за вымывания мелких частиц теряют
устойчивость и скатываются вниз. Для делювия характерны довольно
часто встречающиеся отсутствие связи с подстилающими породами и
плохая сортировка отложений.
При плоскостном смыве на поверхности земли могут
образовываться незначительные углубления, стекая в которые
дождевые и талые потоки начинают их размывать, превращая в
промоины или рытвины. Процесс размыва горной породы движущимся
потоком воды называется эрозией.
Постепенно размеры промоины увеличиваются, и она
превращается в овраг. Овраг имеет вершину и устье; устье – место, где
овраг зародился, в сторону вершины он растет.
Углубление оврага происходит до определенного уровня –
базиса эрозии – самой низкой точки в устье оврага. Для водных
потоков, бегущих в овраге, базисом эрозии является уровень реки,
117
озера или другого оврага, в которые овраг впадает. Овраг может
превратиться в ручей или реку в процессе роста.
Рост оврага превращается, когда его вершина достигает
наивысшей точки водосбора. Размеры оврагов достигают нескольких
десятков метров глубиной и 5-10 до 20км длиной.
Река со всеми ее притоками называется речной системой, а
площадь, занимаемая речной системой, называется речным бассейном.
§ 1. Виды речных долин и русловых отложений
Углубление на земной поверхности, в котором протекает река,
называется долиной; часть долины, заполненная водой при любом
уровне – руслом, часть долины, заполняемая паводковыми водами –
поймой, не затапливаемые горизонтальные участки долины –
террасами. Вообще террасы показывают положение реки в
предыдущие геологические периоды и образуются при изменении
эрозионных условий (см. рис.7.2).
Рис. 7.2. Схема геологического строения долины реки: 1 – русловые отложения
(пески, в основании – галечники, валуны); 2 – пойменные отложения (супеси,
суглинки, глины); 3 – отложения стариц (илы, глины, торф); 4 – ледниковые
отложения (валуны, суглинки); 5 – отложения террас (пески); 6 – древние
глины; 7 – известняки.
Террасы делятся на аккумулятивные и эрозионные. Эрозионные
террасы (террасы размыва) образуются на тех участках речных
долин, где происходит непрестанное углубление русла (см. рис. 7.3).
Аккумулятивные террасы сложены целиком из заносов и образуются
при чередовании циклов эрозии (см. рис. 7.4).
118
Рис. 7.3. Эрозионные террасы: 1- аллювиальные отложения (песок, гравий);
2 – древние глины; 3 – известняки.
а) б)
в)
Рис. 7.4. Процесс формирования аккумулятивных террас: а – низкое стояние
базиса эрозии; б – резкое повышение базиса эрозии; в – последующее
понижение базиса эрозии.
Иногда выделяются цокольные террасы, которые выглядят так
же, как и эрозионные, но имеют наносы аллювиального материала.
Процессы эрозии, связанные с геологической деятельностью
рек, имеют исключительное значение в формировании земной
поверхности. Эрозия выражается в углублении русла реки – донная
119
эрозия и расширении долины за счет подмыва берегов – боковая
эрозия.
Интенсивность эрозии зависит от скорости потока и прочности
размываемых горных пород, а также от количества и характера
переносимых водотоком частиц и обломков пород, производящих
истирающее воздействие на дно и берега.
Частицы горных пород, размытые рекой, переносятся ей на
значительные расстояния и откладываются в тех местах, где
уменьшается скорость течения.
Процесс выпадения из воды переносимых частиц называется
седиментацией, а накопление – аккумуляцией. Образованные при этом
отложения называются аллювиальными отложениями или аллювием.
К аллювиальным отложениям относятся песок, гравий, галька,
иногда – валуны. Отложения характеризуются определенной степенью
окатанности и, как правило, не имеют ничего общего с
подстилающими горными породами в месте аккумуляции.
В зависимости от условий отложения аллювий бывает
пойменный, русловой и дельтовый.
Пойменный аллювий отлагается во время паводков на
заливаемой пойме и надпойменной террасе. Отлагаются частицы более
мелкие, чем в русле, так как скорость течения и, соответственно, живая
сила воды на пойме меньше. Отложения характеризуются слоистостью
с малой мощностью слоев и линзообразным их выклиниванием. На
пойме отлагается, в основном, песчано-глинистый материал.
Русловой аллювий отлагается в руслах рек после спада
паводковых вод. Для него характерны слоистость, хорошая
отсортированность материала и способность перемещения отложений
вниз по реке. Материал русловых отложений – песок, гравий, галечник
(до валунов).
Дельтовый аллювий образуется в устьях рек при впадении их в
моря или большие озера, где вода резко теряет скорость и весь
переносимый материал оседает на дно (см. рис. 7.5).
Речные отложения, по мере удаления от устья,
распространяются в стороны, образуя конусовидную площадку (откуда
и название Δ – дельта). Материал дельтовых отложений – песчаный и
глинистый, причем, с удалением от реки, отлагаются все более мелкие
фракции, вплоть до илов (глин в рыхлой начальной стадии
образования).
120
Рис. 7.5. Схема отложений дельтового аллювия.
Также к работе поверхностных вод относится образование
бурных временных потоков после дождей или быстрого снеготаяния в
горных районах. Потоки, стекая с крутых склонов, обладают огромной
силой и увлекают за собой крупные обломки, и даже глыбы горных
пород. Этими обломками, как тараном, разрушаются выступы и
неровности рельефа, разрушенный материал также захватывается с
собой, в результате образуется грязекаменный поток – сель.
§ 2. Методы борьбы с негативными последствиями геологической
деятельности атмосферных и поверхностных вод
Оврагообразование. Схематически можно выделить четыре
стадии развития оврагов, в зависимости от которых выбираются
мероприятия по борьбе с ними:
- в начальной стадии (стадии образования промоин)
выполняется заравнивание промоин, посев на склоне многолетних
трав, прекращается рубка на склоне, выполняется планировка
местности и упорядочение стока путем устройства водоотводящих
сооружений (лотков, труб), устраиваются запруды из плетней и земли,
гасящие силу потока;
- вторая стадия – стадия врезания вершины оврага в рыхлые
породы – протекает очень быстро. Здесь применяют те же приемы, но в
значительно большем объеме. Дополнительно – мостят дно оврага или
устраивают на дне лотки, чтобы избежать дальнейшей эрозии (см. рис.
7.6);
- на третьей стадии углубление (размыв дна) заканчивается, на
дне образуется овражный аллювий, однако продолжается боковая
эрозия, овраг растет вширь. Ведется борьба с боковым размывом: у
подножия бортов устраиваются плетни с земляной забивкой, по бровке
высаживаются деревья;