Материал: геолог и я

22. Геологические процессы, обусловленные действием силы тяжести: обвалы, вывалы, осыпи, лавины. Оползневые процессы, их причины. Виды оползней в скальных и рыхлых породах. Меры защиты.

Сила тяжести участвует во всех геологических процессах. Самым наглядным образом она проявляется как главная причина разнообразных смещений ГП на склонах – обвалов, лавин, осыпей, оползней. Обвалы – обрушения со склонов значительных масс ГП с их дроблением; обрушения отдельных глыб называют вывалами. Происходят внезапно, особенно на крутых трещиноватых склонах. Масштабы обвалов различны – от малых до грандиозных. Снежные лавины представляют собой обвалы скопившегося на склоне снега, при движении захватывающего также обломки ГП; в зависимости от характера движения лавины подразделяют на осовы, лотковые и прыгающие.

Борьба с обвалами и вывалами включает как профилактические мероприятия, так и активные с устройством защитных сооружений. К первым относятся наблюдения за склонами, их террасирование, лесомелиорация, обрушение отдельных опасных глыб. К противообвальным сооружениям относятся подпорные стенки, контрфорсы, облицовки и пояса с грунтовыми анкерами, противообвальные галереи, тоннели. Меры защиты от лавин в общем аналогичны противообвальным. К профилактическим здесь относятся мероприятия по недопущению или уменьшению снегонакопления на опасных склонах путем лесопосадок, расстановкой щитов, задерживающих снег в безопасных местах, террасирование склонов, обстрел из пушек с целью вызвать сход еще небольших, безопасных лавин.

Для защиты сооружений в местах схода лотковых лавин устраиваются отбойные дамбы – массивные каменные или бетонные стены, отводящие лавину; лавинорезы – треугольные дамбы, обращенные углом навстречу лавине. При ударе о лавинорез лавина делится на два потока с большой потерей энергии.

Осыпями называют накопления у подножья склона продуктов физического выветривания обнаженных поверхностью склона горных пород, а также сам процесс осыпания, перемещения обломков. Осыпи подразделяются по крупности обломков и по степени подвижности (действующие, затухающие, неподвижные). От осыпей отличают каменные россыпи, или курумы.

При необходимости применяют различные защитные меры:

- стабилизация осыпи уборкой части материала вверху и подсыпкой снизу в виде контрбанкета;

- устройство подпорных стен с заглублением в коренные породы;

- осушение при возможности осовов.

Оползни - это смещения масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести, и в большинстве случаев при непосредственном участии подземных и поверхностных вод. Оползни распространены в горных районах, на берегах морей и озер, на склонах речных долин. В сейсмических районах оползни, как и обвалы, часто инициируются землетрясениями.

Проявления оползневых процессов очень разнообразны и зависят от высоты и крутизны склона (откоса), условий залегания слагающих склон пород и характера последних. Кроме собственно

оползней, выделяют еще сплывы и оплывины, осовы, оползни – обвалы.

Для склона, сложенного близкими по свойствам рыхлыми, чаще глинистыми породами, типичное строение оползня показано на схеме (рис.12.1). Соответственно выделяются бровка срыва и главный уступ (иногда только трещина отрыва); оползневое тело, оползневые террасы, поверхность скольжения (иногда выраженная нечетко в виде зоны измененной породы), подошва и язык оползня.

Рис. 12.1. Оползень склона сложенного рыхлыми породами:

1 – первоначальная поверхность склона; 2 – бровка срыва; 3 – надоползневой уступ; 4 – оползневые террасы; 5 – тело оползня; 6 – поверхность скольжения; 7 – язык оползня

Внешними признаками оползневого процесса на склоне являются:

- наличие трещин: от главной трещины отрыва до трещин вдоль бортов оползневого тела;

- различные водопроявления (родники, полосы высачивания, заболачивание на оползневых террасах);

- изогнутые и наклоненные стволы деревьев («пьяный лес»);

- повреждения зданий и сооружений, смещения полотна дороги и др.

Причины оползней разнообразны, их можно объединить в

четыре группы.

1. Изменения геометрии (высоты и формы) склона, природные (колебания базиса эрозии, разрушающая работа волн, текучей воды) и техногенные - например, подрезка склона различными выемками.

2. Изменение состояния и физико-механических свойств слагающих склон пород из-за выветривания, увлажнения подземными, дождевыми, талыми, хозяйственными водами, выщелачивания водорастворимых солей примесей (сульфаты, карбонаты, железистые соединения), окисления пирита и органики, набухания (особенно монтмориллонитовых глин при техногенном замачивании).

3. Действие подземных и поверхностных вод, вызывающее увеличение гидростатических и гидродинамических сил на породы, суффозионные явления.

4. Внешние статические и динамические нагрузки: пригрузка склона сооружениями и материалами, сейсмические воздействия, динамические воздействия транспорта, взрывные работы и др. Обычно имеет место совместное действие нескольких причин.

Рис. 12.2. Примеры противооползневых мероприятий:

1 – прогнозируемая поверхность скольжения; 2 – срезка; 3 – контрбанкет; 4 – подпорная стена; 5 – дренаж; 6 – буровые сваи

После установления причин оползневого процесса разрабатываются противооползневые мероприятия, которые также (см. ранее для обвалов), можно разделить на профилактические и активные. К первым, например, относятся запрещение подрезки склона, строительства на нем, недопущение уничтожения растительности и распашки склона, регулирование поверхностного стока, ограничение скорости движения. К активным мероприятиям относятся устройство канав и лотков для отвода поверхностных вод и дренажных сооружений для сбора и отвода подземных вод; осушение и закрепление пород склона; разгрузка склона в верхней части и устройство контрбанкета в нижней; устройство подпорных стен; скрепление пород склона буровыми сваями и грунтовыми анкерами («прикол»). Некоторые из перечисленных мер иллюстрируются рисунком (рис.12.2).Успешным может быть только комплекс мероприятий, разработанный на основе детального выяснения причин оползневого процесса. В особенности важно установить причины и условия обводнения склона подземными и поверхностными водами.

23.Геологические процессы, обусловленные действием подземных вод: плывуны, суффозия, карст, просадки лессов. Условия проявления, меры предупреждения и защиты. Особенности инженерно-геологических изысканий в районе образования карста.

Подземные воды разрушают ГП выщелачиванием и механическим выносом мелких частиц из пор и трещин. К наиболее важным для строительства процессам такого рода относятся заболачивание, плывуны, суффозия, карст, просадки лессов. В растворимых породах (каменная соль, гипс, известняк, доломит) выщелачивание приводит к развитию карста – совокупности отрицательных форм рельефа (карры, воронки, провалы) и подземных полостей различной формы и размеров (пещеры, пропасти), особому режиму поверхностных и подземных вод.

Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, которые при вскрытии выработкой заплывают в нее, разжижаясь до состояния тяжелой вязкой жидкости. Прорывы плывунов в котлованы, другие выработки, тоннели часто приводят к тяжелым последствиям. Чаще всего плывунность проявляется в мелких, тонкозернистых песках;

Суффозией называется процесс выноса частиц грунта движущимися подземными водами и проявления этого процесса. При длительной суффозии в грунте увеличивается пористость, образуются полости и каверны, возможно оседание поверхности с образованием суффозионных воронок. Суффозия часто возникает на склонах речных долин при спаде паводка, в откосах водохранилищ при сработке (резком понижении) уровня воды. При этом уровень грунтовых вод понижается медленнее уровня поверхностных вод. В результате уменьшается устойчивость склонов, так что могут активизироваться смещения и обрушения масс пород . С этим связано и само название явления – от латинского слова со значением «подкапывание». Суффозия возникает при значительных градиентах напора и особенно в разнозернистых песках, когда размеры преобладающих фракций сильно отличаются (в 20 раз и более).

Рис. 11.1. Проявление суффозии:

1,2 – положения УГВ; 3 – суффозионная воронка

Суффозию следует отличать от подземного размыва, или эрозии, возникающей, например, при прорывах подземных водоводов и утечках из сетей водоснабжения и водоотведения. В описанном виде суффозия представляет собой чисто механический процесс; иногда употребляется еще понятие «химическая суффозия», когда происходит растворение и вынос частиц породы или скрепляющего их цемента в растворенном виде. В объединенном виде эти два явления – растворение и вынос – называют выщелачиванием.

Меры по предупреждению суффозии – снижение градиентов напора и соответственно скорости фильтрации; тампонирование скважин и старых колодцев; устройство обратных фильтров (когда крупность засыпки возрастает в направлении движения воды) при откачках воды; снижение водопроницаемости грунта нагнетанием в него цементного или глинистого раствора.

Карст – совокупность геологических явлений, связанная с выщелачиванием, т.е. растворением и выносом в растворенном виде горных пород поверхностными и подземными водами. При залегании растворимых пород непосредственно с поверхности или неглубоко от нее карст резко проявляется в рельефе, образуя карры, карстовые воронки, слепые долины и т.д. Карры – это чередующиеся борозды и гребни, покрывающие поверхность карстующегося массива с амплитудой высот до 1 – 2м. Карстовые воронки – углубления округлого сечения, суживающиеся книзу; в дне воронки часто видна щель (понор), в которую стекают поверхностные воды. Диаметр воронок – до десятков метров, глубина обычно в 2-3 раза меньше диаметра. Иногда воронки имеют почти отвесные стенки и большую глубину, представляя собой естественные шахты. При слиянии нескольких близко расположенных воронок образуются слепые долины. Описанные формы относятся к поверхностному (открытому) карсту.

Если растворимые породы залегают среди нерастворимых или перекрыты ими с поверхности на значительную глубину, то возможно развитие глубинного (подземного) карста, проявляющегося в образовании различной формы и размеров пустот в массиве горных пород – от каверн и полостей до пещер огромных размеров. При определенных условиях в эти пустоты происходят обрушения вышележащих пород- провалы, проявляющиеся также в рельефе. Таким образом, процесс карста проявляется как в особых формах рельефа, так и в строении подземного пространства. В свою очередь, оба эти фактора определяют в районах развития карста особый режим поверхностных вод (например, исчезающие реки, озера) и подземных вод (высокие скорости движения, турбулентность).

При инженерно-геологических изысканиях в карстовых районах прежде всего устанавливаются современные проявления карста, открытого и подземного. Для исследования последнего широко применяют геофизические методы. Для сульфатного и тем более соляного карста обязательно устанавливается интенсивность развития карста с учетом всех влияющих факторов. Обнаруженные в закарстованном массиве каверны, полости, пустоты, должны быть заполнены цементнопесчаным или цементноглинистым раствором или бетоном. Трещиноватость пород устраняется нагнетанием в скважины жидкого стекла (силикатизация) или цементного раствора (цементация). Предпринимаются меры по защите от поверхностных вод – планировка, дренаж и др. В гидротехническом строительстве необнаруженные при изысканиях карстовые полости не раз приводили к невозможности заполнения водохранилища на запланированный объем из-за больших утечек воды

24. Геологические процессы, образованные отрицательной температурой. Особенности физико-механических свойств мерзлых грунтов. Пучение грунтов при сезонном промерзании. Вечная мерзлота. Распространение, классификация, подземные воды в вечной мерзлоте. Наледи, гидролакколиты, термокарст, солифлюкция, заболачивание.

Важные для строительства явления в грунтах связаны с их промерзанием и оттаиванием и соответственно с переходами воды в лед и обратно. Неблагоприятным процессом при сезонном промерзании грунтов является морозное пучение. При промерзании грунта объем его увеличивается за счет замерзающей в порах воды и, что еще более значимо, за счет миграции влаги к фронту промерзания. В особенности этот процесс развивается в пылевато-глинистых грунтах и мелких песках, что необходимо учитывать при проектировании взаимодействующих с грунтом конструкций и сооружений: фундаментов зданий, земляного полотна дорог, аэродромных покрытий. Еще более масштабные процессы в связи с промерзанием и оттаиванием характерны для области распространения вечной мерзлоты (ВМ), занимающей в РФ 65,6 % ее территории. ВМ разнообразна по распространению в плане (сплошная; с таликами; островная); по глубине (непрерывная и слоистая, сливающаяся с деятельным слоем и несливающаяся); по характеру пород, их температуре и т.д.

ВМ очень разнообразна; некоторое представление об этом дают следующие классификации.

А) По распространению в плане – сплошная; с таликами, то есть участками талых пород; островная, когда ВМ встречается в виде островов, окруженных обычными талыми грунтами. На севере Сибири ВМ сплошная с мощностью до 100…500 м; ближе к южной границе ВМ встречается отдельными участками среди талых пород, т.е островная.

Б) По разрезу – непрерывная и слоистая, когда чередуются мерзлые и талые слои.

В) По соотношению с деятельным слоем – сливающаяся и несливающаяся. В последнем случае между промерзающим зимой деятельным слоем и вечной мерзлотой остается слой талого грунта.

Г) По состоянию и степени цементации породы льдом различают ВМ монолитную, сухую и пластичную, а слагающие ее грунты называют соответственно твердомерзлыми, сыпучемерзлыми и пластичномерзлыми. Твердомерзлые – это глинистые породы при низких температурах (-20 и ниже), прочно сцементированные льдом; сыпучемерзлые – несвязные маловлажные грунты. Пластичномерзлые наиболее неблагоприятны в строительстве; это глинистые грунты при отрицательных температурах, близких к нулю. По виду они почти не отличаются от талых грунтов, но при оттаивании переходят в текучепластичное или даже текучее состояние, т.е. становятся заведомо слабыми грунтами.

Подземные воды ВМ подразделяются на надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные – это воды первого водоносного горизонта, приуроченного к породам деятельного слоя. Водоупор для них – ВМ. Могут полностью или частично промерзать; в последнем случае в них появляется напор, хотя в общем это ненапорные воды, аналогичные грунтовым. Межмерзлотные воды циркулируют по таликам и трещинам в толще ВМ, часто являются напорными. Подмерзлотые – напорные воды глубоких водоносных горизонтов под толщей ВМ.

На свойства мерзлого грунта большое влияние оказывает льдистость, т.е. содержание льда. Он может быть в двух формах – цемента и включений; распространены также различные формы подземного льда – инъекционный, жильный, погребенный. Слово «вечная» в названии ВМ не должно мешать представлению о ней как системе динамической, чутко реагирующей на аномальные природные и критические техногенные воздействия. Поэтому ВМ может распространяться (агградация), или оттаивать (деградация). К мерзлотным процессам и явлениям относятся наледи, бугры пучения, морозобойные трещины и клинья льда, термокарст, солифлюкция, заболачивание. Наледи образуются в местах прорыва надмерзлотных вод, когда они оказываются под напором из-за промерзания сверху деятельного слоя. Прорывы происходят в местах ослабления промерзшего слоя, или там, где промерзания не произошло – например, под сооружениями. Они наледью могут быть повреждены или разрушены. Распространены также наледи речные и грунтовые. В последнем случае массы льда образуются в толще грунта, поднимая ее в виде бугра пучения. При таянии льда бугор оседает, поверхность относительно выравнивается. Но при больших размерах вытаивания льда может не произойти. Такие многолетние бугры пучения до 15 м высотой называются гидролакколитами. Борьба с наледями ведется устройством мерзлотных поясов – широких неглубоких канав, закладываемых поперек направления потока подземных вод.

Гидролакколиты — масса подпочвенного льда, по форме сходные с лакколитами. Они образуются в криолитозоне, причём на территориях, где верхняя граница многолетней мерзлоты залегает близко к дневной поверхности. Гидролакколиты могут образовываться также и при промерзании закрытых систем несквозных таликов под осушающимися обычно термокарстовыми озёрами, большая часть из которых в конечном итоге может представлять собой аласы. Гидролакколиты — это, по существу, инъекционные бугры пучения. Они образуются в местах разгрузки напорных межмерзлотных вод и в обрамлении наледей, каковыми, выходя на поверхность под напором и быстро замерзая, они и являются (наледные бугры.) Напорные воды выходят на поверхность на участках разрывов растяжения, обычно — по ослабленным границам трещинных полигонов[10].

Морозобойные трещины возникают при промерзании грунта. Распространяясь в глубину и заполняясь водой, снегом и льдом, они образуют ледяные клинья, проникающие иногда на глубину до 2м. Термокарст – образование различных понижений рельефа (воронки, блюдца, котловины) при вытаивании подземного льда и последующем оседании поверхности. Солифлюкция – оплывание, течение оттаявшего верхнего слоя на склоне. В результате на поверхности последнего появляются оплывины, террасовидные уступы. Заболачивание развивается при избыточном увлажнении вследствие оттаивания верхнего слоя; водоупором является ВМ. При отсутствии стока в теплый период быстро развивается влаголюбивая растительность. Возникающие так болота называются мари.

25 Инженерно-геологические изыскания, их цели, состав и структура. Геологические карты и разрезы. Построение и анализ инженерно-геологических разрезов.

ИГИз проводятся специализированными изыскательскими и проектно-изыскательскими организациями и организуются обычно в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный. Задачей подготовительного этапа является сбор материалов о природных и инженерно-геологических условиях района. Используются имеющиеся литературные, фондовые, архивные данные, результаты аэро- и космосъемки и др.; при необходимости собранные данные дополняются рекогносцировкой района. Материалы этого этапа используются для предпроектных стадий, а также для планирования работ полевого этапа. Объем изысканий на этом главном полевом этапе изысканий зависит от стадии проектирования и вида строительства, от сложности инженерно-геологических условий района и степени их изученности. В общем, могут выполняться следующие работы и исследования:

-инженерно-геологическая съемка;

-разведочные работы (бурение, шурфование, геофизические исследования, аэрофото- и космосъемка и др.);

-гидрогеологические опытные исследования;

-поиск и разведка месторождений местных строительных материалов;

-полевые исследования свойств горных пород ( испытания штампом, различные виды зондирования, прессиометрия и др.)

-лабораторные работы с определением показателей физико-механических свойств горных пород.

В более простых или хорошо изученных геологических условиях те или иные из перечисленных работ могут отсутствовать. Окончательная обработка полевых материалов, результатов лабораторных работ и других исследований выполняется в камеральный период, завершающийся составлением инженерно-геологического отчета или заключения с рекомендациями для проектирования и строительства.

Геологическая карта представляет собой проекцию на горизонтальную плоскость выходов различных по возрасту и составу пластов. Соответствующие геологические комплексы наносятся на обычные топографические карты и выделяют определенными условными обозначениями.

Карты по характеру отражаемых комплексов делятся на следующие типы:

– геологические, на которые наносят выходы пластов различного возраста;

– литологические, отражающие выход на поверхность пластов разного петрографического типа (песков, глин, гранитов и т.д.);

– геолого-литологические, дающие представление о возрасте и составе пород, слагающих поверхность.

Помимо перечисленных типов карт для различных целей составляются так называемые специальные карты:

– карты строительных материалов, дающие представления о распространении на поверхности горных пород, пригодных для использования в качестве естественных строительных материалов и сырья для промышленности стройматериалов;

– инженерно-геологические карты, отражающие геологические условия возведения сооружений;

– гидрогеологические карты, дающие представление о характере залегания подземных вод.

Каждая инженерно-геологическая карта – понятие собирательное и состоит из собственно карты, условных обозначений, геологических разрезов и пояснительной записки.

Геологические разрезы представляют собой проекцию геологических структур на вертикальную плоскость. Они позволяют выявить геологическое строение местности на глубине. На геологическом разрезе показывают возраст, состав, свойства, мощность слоев, условия залегания и взаимоотношения пород, рельеф, гидрогеологические условия и проявления физико-геологических процессов (оползни, карст и т.д.)

Геологические разрезы строятся по определенным линиям на основании использования следующих данных:

1. На материале послойного описания естественных обнажений горных пород, например, в оврагах, бортах речных долин;

2. На материале послойного описания горных пород, вскрытых расчистками, колодцами, скважинами (в задании приведены исходные данные, построить разрез по ним);

3. На основании геологической карты.

Работа над инженерно-геологическим профилем сводится вкратце к следующим операциям:

1. Строят слева на листе миллиметровой бумаги шкалу абсолютных отметок.

2. Наносят в масштабе по шкале в горизонтальной плоскости абсолютные отметки устья скважин.

3. Соединяя их, получают рельеф местности.

4. Принимая за абсолютную отметку абсолютную отметку скважины, от этой точки вниз откладывают мощности (толщину) слоев.