Инженерная геология: петрология и геодинамика

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ» СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………............. 4 1 МИНЕРАЛОГИЯ…………………………………………………………………. 5 2 ГОРНЫЕ ПОРОДЫ………………………………………………………………. 8 3 ПОНЯТИЕ О ГРУНТАХ…………………………………………………………. 12 4 СВОЙСТВА ГРУНТОВ………………………………………………………….. 15 5 КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ………………………………………………... 19 6 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭНДОГЕННЫХ ПРОЦЕССАХ……………………… 22 7 ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ………………………………………………………………. 26 8 ВЫВЕТРИВАНИЯ, СЕЛИ……….......................................................................... 28 9 ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ………………………………………………….. 33 10 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК…………………………………… 36 11 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЛЕДНИКОВ………………………….. 39 12 ДВИЖЕНИЕ ПОРОД НА СКЛОНАХ………………………………………….. 41 13 ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ…………………………………………………………. 45 14 ПРОЦЕССЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ДЕЙСТВИЕМ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР.................................................................... 49 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………….. 54 ВВЕДЕНИЕ Инженерная геология является одной из геологических дисциплин. Она разрабатывает широкий круг научных и практических проблем, решает многие задачи, возникающие при проектировании и строительстве сооружений и при проведении инженерных работ по улучшению территорий. Инженерная геология включает в себя следующие основные разделы: инженерную петрологию и инженерную геодинамику. Инженерная петрология изучает состав, строение, физико-механические свойства горных пород. Инженерная геодинамика изучает геологические процессы, влияющие на устойчивость и эксплуатацию сооружений и разрабатывает защитные мероприятия. Основными задачами инженерной геологии являются: 1) изучение горных пород как грунтов основания, среды для размещения сооружений и строительного материала для различных сооружений; 2) изучение геологических процессов, влияющих на инженерную оценку территории, выяснение причин, обусловливающих возникновение и развитие процессов; 3) разработка мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений и защите их от вредного влияния различных геологических явлений. 1 МИНЕРАЛОГИЯ 1.1 Общие сведения о минералах Использование минералов человеком в своей практической деятельности относится к глубокой древности: в первобытном обществе изготовлялись каменные орудия, крепкие камни и минералы применялись при защите, на охоте, в строительстве. Позже человек стал распознавать драгоценные минералы, руды свинца, меди, железа, золота, серебра. Задачами минералогии являются: 1) изучение состава, физических и химических свойств минералов с целью их практического использования (в том числе для целей строительства); 2) изучение закономерностей сочетания и последовательности образования минералов для использования при поисках и раз­ведке месторождений полезных ископаемых. Минералами называют однородные по составу части горных пород, представляющие собой природные химические соединения и являющиеся естественными продуктами различных геоло­гических процессов. В земной коре известно более 3000 минералов. Из них только небольшая часть (около 100 минералов) имеют широкое распространение; остальные встречаются редко, в виде вкраплений в горных породах. Одной из существенных особенностей минералов является их кристаллическая форма в виде пространственных геометрических фигур — кубов, призм, пирамид, параллепипедов, ромбоэдров, что связано с расположением составных частей минералов — анионов, катионов, их групп. 1.2 Физические свойства минералов Каждый минерал характери­зуется какими-то особыми признаками, по которым его можно определить, не прибегая к сложным исследованиям. К числу главных физических свойств минералов относятся: 1) морфологические особенности минералов (форма кристаллов); 2) оптические (цвет, прозрачность, блеск, цвет черты); 3) механические (спайность, излом, твердость и др.); 4) плотность, магнитность, радиоактивность и др. Твердость — способность минерала противостоять внешним механическим воздействиям. В практике для определения твердости минералов пользуются специальным набором минералов — так называемой шкалой Мооса, представленной 10 минералами — эталонами или их заменителями. В полевых условиях при отсутствии набора минералов, пользуются заменителями. К ним относятся: карандаш, ноготь, латунная монета, стекло, стальной нож. Спайность — способность минералов раскалываться по опре­деленным направлениям. Различают 5 ступеней совершенства спайности: 1) весьма совершенная (слюда); 2) совершенная (кальцит); 3) средняя (флюорит); 4) несовершенная (апатит); 5) весьма не­совершенная (кварц). В природе твердые минералы распространены преимущественно в виде зерен неправильной формы, но независимо от этого они обладают кристаллическим строением. Среди разнообразных форм кристаллов различают: 1) равновеликие формы (пирит); 2) призматические, столбчатые, иголь­чатые роговая обманка), волокнистые (асбест); 3) таблитчатые, листоватые, чешуйчатые (слюда, графит, тальк). Цвет — он разнообразен. Даже один и тот же минерал может иметь различную окраску (кварц). Прозрачность минералов — свойство минералов пропускать сквозь себя свет. В зависимости от степени прозрачности все минералы делятся на: 1) прозрачные (горный хрусталь); 2) по­лупрозрачные (опал); 3) непрозрачные, т.е. не пропускающие свет даже в очень тонких пластинках (пирит). Блеск - особенность минерала отражать свет своей поверхно­стью. Все минералы по этому признаку делятся на две группы: 1) с металлическим блеском; 2) с неметаллическим блеском. Минералы второй группы могут иметь блеск: а) алмазный (алмаз), б) стеклянный (кварц, кальцит), в) жирный (нефелин), г) перламутровый (тальк, слюда), д) шелковистый (асбест), е) ма­товый (мел). Цвет черты — цвет тонкого порошка. Минералы, твердость которых небольшая (от 1 до 3-4), оставляют черту на неглазурованной поверхности фарфоровой пластинки (бисквите), т.е. цвет порошка минерала на бисквите может являться хорошим диагностическим признаком. Так, черные по внешнему виду гематит, магнетит, хромит, сфалерит дают соответственно вишнево-красный, черный, желтый, темно-коричневый цвет черты; у соломенно-желтого пирита черта черная. Излом — это вид поверхности, возникающей при раскалывании минерала. Выделяют следующие виды излома: 1) раковистый, напоминающий поверхность раковины (кварц); 2) занозистый (волокна асбеста); 3) землистый, напоминающий шероховатую поверхность (глины); 4) зернистый, встречаемый у агрегатов (мрамор). Плотность минерала — это масса единицы объема. Различают минералы: а) легкие (плотность до 2,5 г/см3, как у гипса); б) средние (плотность до 4 г/см3, как у граната); в) тяжелые (плотность больше 4 г/см3, как у пирита). Некоторые минералы обладают особыми свойствами. Например, карбонатные минералы вскипают от воздействия соляной кислоты. Геологические процессы образования минералов подразделяются на эндогенные (глубинные) и экзогенные (поверхностные). Первые, в основном, связаны с внутренней энергией Земли, а вторые — с энергией Солнца. Эндогенные процессы в определенной мере обусловлены магматической деятельностью, в результате которой образуются магматические и метаморфические горные породы и жильные минеральные образования. Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли, в атмосфере и гидросфере. Эти процессы сопряжены с физическим и химическим разрушением горных пород и минералов, переходом их в другие разновидности и модификации; существенное значение при этом имеют биогенные процессы, связанные с жизнедеятельностью организмов. 2 ГОРНЫЕ ПОРОДЫ 2.1 Общие сведения Горные породы представляют собой агрегат минералов или обломков горных пород, занимающих значительные участки земной коры. В настоящее время известно около 1000 видов горных пород. По своему происхождению они делятся на 3 класса: магматические, осадочные, метаморфические. Магматические породы возникают из застывающей в недрах Земли или на ее поверхности магмы (газово-жидкого, в основном — силикатного, расплава - раствора). Осадочные породы образуются в процессе разрушения, переноса, накопления и преобразования продуктов переработки ранее возникших горных пород, остатков организмов и продуктов их жизнедеятельности. Их формирование происходит на поверхности Земли при обычных температурах, нормальном давлении и, в большинстве случаев, в водной среде. Метаморфические породы формируются в результате преобразования осадочных и магматических пород на значительных глубинах под действием, главным образом, высоких давлений, температур и проникающих флюидов. Горная порода может состоять из агрегата одного минерала и в этом случае называется мономинеральной (от греч. «моно» — один), например, гипс, известняк, мрамор, кварцит. Порода, состоящая из нескольких минералов, называется полиминеральной, например, гранит. Минеральный состав горных пород одного вида одинаков. Изучение горных пород имеет практическое значение для строителей. 2.2 Магматизм и магматические горные породы Магматизм — одно из важнейших проявлений глубинной активности Земли, охватывает процессы выплавления магмы, ее развитие и перемещение, а также взаимоотношение с твердыми породами. Характер магматизма зависит от глубины проявления: в глубоких недрах Земли образуются глубинные или интрузивные магматические породы; при излиянии магмы на поверхность Земли — эффузивные, или излившиеся породы; при выбросе из вулкана пепла, песка, вулканических бомб накаплива­ются своеобразные горные породы, объединяемые общим на­званием вулканические туфы. Формы залегания магматических пород довольно разнообразны и зависят от количества внедренного материала магмы и от геологической структуры вмещающих пород. По отношению к напластованию осадочных и метаморфических пород выделяют: 1)согласные формы залегания, параллельные напластованию: силлы, лополиты, лакколиты; 2) несогласные формы залегания, независящие от напластования: батолиты, штоки, дайки (жилы); Формы залегания эффузивных пород менее разнообразны: потоки, покровы, купола. 2.3 Осадочные горные породы Осадочные горные породы слагают самую верхнюю часть земной коры, занимая около 75% ее площади. Осадочные горные породы образуются в результате отложения продуктов разрушения магматических, метаморфических и осадочных пород на поверхности Земли. Разрушенный материал переносится водой, ветром, гравитационными силами в виде растворенных компонентов. Этот материал при погружении блоков земной коры переходит в зоны с повышенным давлением, температурой, подвергается процессам преобразование осадка в горную осадочную породу в результате воздействия химических, физических и биологических факторов и преобразуется в осадочную, затем в метаморфическую породу. Осадочные горные породы, как правило, подразделяются на три группы: обломочные; хемогенные; органогенные. Характерные особенности осадочных пород: слоистость; пористость; содержание остатков растительных и животных организмов. Слоистость осадочных пород выражается в своеобразной слоистой форме залегания. Пористость — характерный признак большинства осадоч­ных пород, исключение составляют лишь химические осадки. Большинство осадочных пород содержит остатки растений и скелетных частей животных организмов в виде окаменелостей или отпечатков. Классификация обломочных осадочных пород основана главным образом на размере слагающих их частиц, на их форме и делении на рыхлые и сцементированные. Главная особенность рыхлых обломочных пород — их раздельнозернистость. Они состоят из обломков пород различных размеров, либо не связанных между собой, либо связанных слабо (глины). Крупнообломочные породы (валуны, глыбы, галечники, щебень, гравий, дресва) состоят из обломков магматических, метаморфических и осадочных пород. Сложение рыхлое. Песчаные породы. Рыхлые породы, состоящие из зерен размером от 2 до 0,05 мм. Пылеватые породы. Рыхлые породы с размером частиц от 0,05 до 0,005 мм. Таблица 2.1 - Формы залегания магматических пород Формы залегания интрузивных тел Формы залегания эффузивных тел Согласованные формы Несогласные формы Силы – пластовые жилы, заключенные между двумя горизонтальными пластами. Батолиты – крупные тела неправильной, вытянутой или овальной формы площадью более 100 км2. Потоки – застывшие лавовые «реки» протяженностью до 80 км. Лополиты – тела чашеобразной формы. Батолиты – неправильные по форме крутопадающие тела площадью менее 100 км2. Покровы образуются при больших излияниях масс лав. Лакколиты – тела грибообразной формы. Жилы – геологические тела, сложенные горными породами, заполнившими трещины. Купола – вулканические конуса, приуроченные к месту излияния. 2.4 Метаморфизм и метаморфические горные породы Все известные горные породы на Земле устойчивы при определенных температурах и давлении. В случае изменения одного из названных параметров или обоих одновременно порода становится неустойчивой: меняется ее состав, структура, текстура, т.е. в горной породе происходят существенные изменения — происходит метаморфизм. метаморфизм — это процесс преобразования исходных горных пород под воздействием высокого давления, температуры и химически активных ве­ществ (газов, растворов). В зависимости от преобладания тех или иных факторов, вызывающих изменения в горных породах, различают следующие типы метаморфизма: 1) контактовый метаморфизм; 2) региональный метаморфизм; 3) динамометаморфизм. Коптактовый метаморфизм непосредственно связан с внедре­нием магмы в земную кору. Вмещающие породы, подвергаясь воздействию высокой температуры (850°С и более), газообразных компонентов и горячих растворов, претерпевают ряд изме­нений. При контактовом метаморфизме из известняков образуются новые породы - скарны, а из глин - роговики. Региональный метаморфизм — метаморфизм, проявляющийся на больших глубинах и огромных площадях. Особенно интенсивно он начинает проявляться с глубины 6-8 км. Динамометаморфизм связан с тектоническими движениями земной коры. При динамометаморфизме старые структуры разрушаются, возникают новые с отчетливо выраженной ориентировкой минералов. Зону земной коры, где происходит метаморфический процесс, называют поясом метаморфизма. В этом поясе метаморфизма, в зависимости от действующих температур и давлений, выделяют следующие зоны: • верхняя (эпизона); • средняя (мезозона); • нижняя (катазона). Эпизоне соответствует начальная степень метаморфизма. Изменение исходных пород слабое, структура их может сохраниться. Для этой зоны характерны такие породы как филлиты, тальковые и хлоритовые сланцы. Мезозона характеризуется более высокой температурой, односторонним давлением, породы имеют сланцеватый облик. Здесь развиты слюдяные сланцы, кварциты, мраморы. Катазона представляет собой зону наиболее интенсивных давлений и высоких температур. Здесь образуются горные породы, отличающиеся обычно отсутствием сланцеватости. 3 ПОНЯТИЕ О ГРУНТАХ 3.1 Общие сведения Грунтоведение является одной из составных частей инженер­ной геологии. Свое название грунтоведение получило от слова «грунт» (от нем.— основа). Известно, что горные породы используются как основания инженерных сооружений, как среда возведения их и как строительный материал. Таким образом, грунт — это любые горные породы, почвы и техногенные отложения, которые рассматриваются как многокомпо­нентные системы (твердая часть, вода). Многие горные породы под влиянием внешней нагрузки де­формируются и разрушаются, поэтому в целях обеспечения ста­бильности при эксплуатации сооружений грунтоведение изучает физико-механические свойства преимущественно рыхлых грун­тов, так как они более чем скальные грунты изменяют свои свой­ства при строительстве, эксплуатации сооружений и поэтому нередко нуждаются в различных методах искусственного улуч­шения своих свойств. Скальные же грунты, отличаясь высокой прочностью, устойчивостью физических свойств, как правило, могут служить хорошим основанием. Сложность строения при­родных грунтов и влияние на них физико-геологических про­цессов вызывают необходимость определять их физические и фи­зико-механические свойства или в условиях естественного за­легания или по образцам естественной ненарушенной структу­ры. Важнейшими из физико-механических свойств грунтов яв­ляются прочность, деформируемость и изменчивость их во вре­мени под воздействием инженерных сооружений. Важнейшими задачами грунтоведения: 1. Определение состава и структуры грунтов. 2. Определение показателей свойств и состояния грунтов. 3. Определение количественных показателей прочности для использования их при проектировании инженерных сооруже­ний. 4. Составление прогнозов возможных изменений свойств грунтов под воздействием проектируемого сооружения. 5. Разработка методов улучшения физико-механических свойств в целях обеспечения долговечности и нормальной работы возводимых сооружений. 3.2 Гранулометрический состав грунтов Под гранулометрическим (механическим) составом породы понимают относительное содержание в ней частиц различного размера. Гранулометрический состав в значительной мере опре­деляет свойства породы — пластичность, пористость, сжимае­мость, набухание, водопроницаемость. В этой связи знание гранулометрического состава грунтов совершенно необходимо для решения целого ряда практических задач: для классифика­ции изучаемых пород, для ориентировочного определения сте­пени их водопроницаемости, для установления возможности их выноса в откосах выемок, насыпей, оценки грунтов, для отсып­ки насыпей, приготовления бетона и в других случаях. В строительных целях наиболее распространенной является классификация фракций. Таблица 3.1- Классификация гранулометрических фракций Наименование фракций Степень крупности Размер частиц, мм Валуны (окатанные) и камни (угловатые) Крупные Средние Мелкие >800 800-400 400-200 Галька (окатанные), щебень (угловатые) Очень крупные (булыжник) Крупные Средние мелкие 200-100 100-60 60-40 40-20 Гравий (окатанные) и дресва (угловатые) Крупные Средние Мелкие 20-10 10-4 4-2 Песчаные частицы (песок) Очень крупные Крупные Средние Мелкие Тонкие 2-1 1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,10 0,10-0,05 Пылеватые частицы (пыль) Крупные Мелкие 0,05-0,01 0,01-0,005 Глинистые частицы Грубые тонкие 0,005-0,001 <0,001 В настоящее время разработано много способов гранулометрического анализа: 1. визуальный основан на визуальной оценке зернового состава. 2. ситовый основан на использовании сит различного размера для разделения пород на фракции. 3. ареометрический основан на измерении удельного веса суспензии, изменяющегося во времени по мере выпадения из суспензии более крупных частиц. 4. оптический основан на определении размеров частиц с использованием микроскопа. 5. пипеточный используется для определения гранулометрического состав глинистых грунтов. 3.3 Структурные связи в грунтах Минеральные зерна, слагающие горные породы, связаны между собой различными структурными связями. Они являются очень важной характеристикой горных пород, так как их прочность определяется не только прочностью отдельных зерен, но и прочностью связи их между собой. Структурные связи формируются в результате сложных физико-химических процессов и оказывают большое влияние на свойства горных пород. С учетом прочности и устойчивости выделяют следующие виды структурных связей Таблица 3.2 - Виды структурных связей в горных породах Породы Виды структурных связей Магматические Кристаллизационные (химические) Метаморфические Кристаллизационные (химические) Осадочные Цементационные, у некоторых химических пород конденсационно-кристаллизационные Кристаллизационная (химическая) связь возникает при непосредственном контакте зерен друг с другом или при заполнении пространства между зернами прочным цементирующим веществом. Это наиболее прочный вид структурной связи. При разрушении пород структурные связи в них не восстанавливаются. Молекулярная структурная связь присуща тонкодисперсным глинистым грунтам. В начале своего возникновения глинистый грунт имеет рыхлое сложение, но со временем его прочность возрастает за счет действия молекулярных сил, которые выжимают и продавливают водные оболочки между частицами. При исчезновении водных оболочек грунтам присуща твердая консистенция, и они обладают наибольшей прочностью. Сильнее всего молекулярная структурная связь проявляется в сухих, уплотненных грунтах. Поэтому глинистые грунты имеют максимальную прочность в сухом состоянии. 4 СВОЙСТВА ГРУНТОВ 4.1 Физические свойства грунтов Главнейшими физическими свойствами песчаных и глинистых грунтов являются плотность, влажность, пористость. Эти свойства взаимосвязаны и в целом выражают их физическое состояние, как в условиях естественного залегания, так в земляных сооружениях. Плотность грунта – это масса единицы объема грунта с природной влажностью. Плотность зависит от минерального состава, влажности и пористости. Рис.4.1-Схема составных частей образца грунта Если массу твердых частиц в объеме V1, а массу воды через g2, то значение плотности грунта естественной влажности определяется следующим образом Влажность является важной характеристикой физического состояния. В зависимости от влажности они могут находиться в различном физическом состоянии. В этой связи изменяется их прочность, деформируемость и устойчивость. Под влажностью понимают все количество воды, содержащееся в порах и трещинах пород в естественных условиях. Численно природная свежесть определяется как отношение массы воды, содержащейся в порах грунта, к массе сухой породы где gвл – масса образца влажного грунта, г; gd - масса сухого грунта, г. Одной из важных характеристик горных пород является их пористость. Минеральные зерна, слагающие грунты, при неплотном прилегании друг к другу образуют промежутки различной величины, называемыми порами. Под пористостью понимают отношение объема пор к общему объему грунта. В скальных породах (магматических и метаморфических) образование промежутков между зернами происходит или в процессе застывания магмы или в процессе перекристаллизации вещества при метаморфизме. В нескальных породах пустоты возникают в процессе осадонакопления за счет пузырьков газа или вследствие неплотного прилегания друг к другу минеральных частиц. По размерам поры и пустоты делятся на три группы: 1) Крупные или некапиллярные – с диаметром пор более 1 мм; 2) Капиллярные – с диаметром пор от 1мм до 0,002 мм; 3) Субкапиллярные – с диаметром пор менее 0,002 мм. Для нескальных пород кроме пористости вычисляют еще величину приведенной пористости или величину коэффициента пористости, которая представляет собой отношение объема пор к объему твердых частиц грунта , где ρS – плотность минеральных частиц грунта, г/см3; ρd – плотность скелета грунта, г/см3. Коэффициент пористости играет исключительно важную роль в различных расчетах. Поэтому определять его необходимо точнее. Величина коэффициента пористости грунтов будет характеризовать естественную уплотненность грунтов, что имеет значение для оценки их как оснований для сооружений. Так величина е < 0,5 характеризует грунты, как хорошие основания для сооружений. Величина же 0,5 ≤ е ≤ 1 показывает, что грунты сложены рыхло, и при возведении на них сооружений может потребоваться их искусственное уплотнение и улучшение. Под пластичностью понимают способность некоторых грунтов изменять свою форму без разрыва сплошности под влиянием внешнего воздействия и сохранять ее после прекращения этого воздействия. Пластичностью обладают глинистые породы, лессы, лессовидные породы и мел. Для количественной характеристики пластичности введено понятие «предел пластичности». Различают верхний предел пластичности и нижний предел пластичности. Под верхним пределом пластичности (границей текучести) понимают влажность, при которой порода их пластичного состояния переходит в текучее. Верхний предел пластичности обозначается WL. Под нижним пределом пластичности (границей раскатывания) понимают влажность, при которой порода из пластичного состояния переходит в твердое. Нижний предел пластичности обозначается WP. Числом пластичности называется интервал влажности, в пределах которого порода находится в пластичном состоянии. Число пластичности равно разности между значениями влажности верхнего и нижнего пределов пластичности IP = WL - WP Число пластичности в значительной мере характеризует степень глинистых грунтов. Поэтому его используют для ориентировочной классификации глинистых отложений. В целях практического использования пределов пластичности для определения давлений на глинистые породы при проектировании фундаментов, для оценки степени естественной уплотненности и других свойств глинистых грунтов определяется показатель текучести по формуле: , где W – естественная влажность грунта, %; WL – верхний предел пластичности или граница текучести, %; WP – нижний предел пластичности или граница раскатывания, %; Консистенция является очень важной характеристикой физического состояния глинистых грунтов. Формы консистенции определяют механические свойства глинистых грунтов и их поведение под нагрузкой от сооружений. Поэтому определение консистентного состояния глинистых грунтов позволяет приближенно оценивать физическое состояния глинистых грунтов. Под консистенцией понимают степень подвижности частиц, слагающих глинистую породу при механическом воздействии на нее. Набухание – это свойство глинистых грунтов увеличивать объем с увеличением влажности. Набухающие грунты используются в качестве основания инженерных сооружений, если их вредное действие не превышает допустимых величин. В противном случае рекомендуется замена набухающего грунта, устройство песчаных подушек или применение различных конструктивных мероприятий. 4.2 Физико-механические свойства грунтов Механические свойства грунтов определяют их поведение под воздействием внешних усилий – нагрузки. Механические свойства песчаных и глинистых грунтов характеризуются их деформируемостью и прочностью. Их выражают и оценивают деформационными и прочностными показателями: сжимаемостью и сопротивлением сдвигу. Показатели, выражающие сопротивление грунтов сдвигу, дают возможность проектировать заложение откосов, насыпей, выемок, позволяют определять устойчивость склонов, оползней, величину давления пород на ограждения. При возведении инженерного сооружения, если в его основании залегают слабые, мало уплотненные грунты, они сжимаются и деформируются. Следовательно, под сжимаемостью следует понимать способность грунтов уплотняться под нагрузкой с уменьшением объема. Величина деформации и явления, наблюдаемые при сжатии грунта, зависят от типа грунта. Сжатие песчаных грунтов, хотя и невелико, зависят от гранулометрического, минерального состава, плотности сложения. Глинистые породы в сухом состоянии обладают повышенной механической прочностью. Влажные, пластичные глины деформируются при сжатии без видимого разрушения. Количественная оценка сжимаемости грунтов дается с помощью: коэффициента уплотнения, модуля осадки, модуля деформации. В инженерно-геологическом отношении большое значение имеет способность некоторых грунтов давать просадку. Наиболее отчетливо эта способность выражена у лёссов и лёссовидных грунтов. Главная особенность лёссовых грунтов – их высокая пористость и слабая водостойкость агрегатов, слагающих стенки пор. При инфильтрации воды в подобную породу стенки пор частично разрушаются, и возникает самоуплотнение под действием собственного веса грунта. Этот процесс самоуплотнения лёссовых пород при увлажнении под действием собственного веса называется просадкой. Просадка лёссовых пород вызывает неравномерную осадку сооружений, что приводит к деформации фундаментов и образованию трещин в сооружениях. Просадка сопровождается уплотнение грунта по вертикали и частичными боковыми смещениями. Величина просадки может быть различной и колеблется от нескольких сантиметров до 1-2 м и более. Величина и характер просадочности зависит от ряда внешних факторов: 1) Количества и химического состава поступающей в массив воды; 2) Напора воды; 3) Характера действующих давлений и наличия вибраций и сотрясений. Изучение сопротивления грунтов сдвигу имеет большое практическое значение для определения: 1) Несущей способности грунтов основания 2) Оценки устойчивости откосов 3) Расчета давления на подпорные стенки. Сопротивление грунтов сдвигу определяется в сдвигающих приборах. В основе их лежит осуществление искусственного сдвига образцов, помещенных в обойму, состоящую их двух частей. нижняя часть надежно закрепляется, а верхняя может свободно перемещаться в горизонтальной плоскости под действием сдвигающих усилий. Рис.4.2-Схема опыта на сдвиг Поместив в обойму грунт, передаем на него через поршень нормальное давление, а к боковой поверхности верхней обоймы прикладываем постепенно увеличиваемое горизонтальное усилие S. При некотором значении S верхняя обойма вместе с грунтом приходит в движение вдоль плоскости. 5 КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУНТОВ 5.1 Скальные грунты Класс природных скальных грунтов объе­диняет грунты с жесткими структурными связями (кристаллиза­ционными и цементационными) — магматические, метамор­фические и сцементированные осадочные породы: граниты, дио­риты, базальты, кварциты, мраморы, конгломераты и др. Они несжимаемы, водонепроницаемы и водоустойчивы. По механической прочности к скальным грунтам относятся горные породы, которые имеют предел прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии больше 5 МПа. Наибольшей прочнос­тью на сжатие, МПа, обладают: магматические породы 80-400 метаморфические породы 100-300 осадочные породы (песчаники, конгломераты) 0,6-120. Высокие прочностные свойства скальных грунтов объясня­ются наличием в их структурах кристаллических связей, которые возникают при кристаллизации магмы, либо в процессе метамор­физма, либо в результате цементации рыхлых образований. 5.2 Полускальные грунты К этой группе относятся, главным обра­зом, сравнительно слабосцементированные и осадоч­ные породы: гипс, ангидрит, каменная соль, известняк-ракушеч­ник, мел, опоки, песчаники со слабым цементом, а также сильно трещиноватые и выветрелые скальные породы. Важной особен­ностью полускальных грунтов является их неустойчивость к воде (размягчение, растворение). Некоторые грунты растворимы в воде (гипс, каменная соль). Другие в воде размягчаются. Особен­но сильно размягчаются грунты, содержащие большое количе­ство глинистых минералов, а также ангидрит, который под воз­действием воды переходит в гипс, вызывая набухание и ослабляя внутренние силы сцепления. После размягчения несущая способ­ность грунтов уменьшается. Для многих полускальных грунтов важной особенностью является трещиноватость, снижающая об­щую плотность пород. Хотя прочность горной породы в отдель­но взятом образце может быть довольно высокой. 5.3 Крупнообломочные грунты К этому виду грунтов относят несцементированные обломочные породы (галечники, щебень, гравий), содержащие более 50% обломков пород размером более 2 мм. Прочность пород этого класса зависит от того, обломками каких пород они сложены. Наиболее прочными являются магматичес­кие, менее прочными — осадочные. Общая прочность крупнооб­ломочных пород связана с их плотностью. По укладке обломков они могут быть плотными и рыхлыми. При этом наибольшей прочностью характеризуются те грунты, у которых промежутки между крупными обломками заняты мелкими обломками. Под нагрузками крупнообломочные грунты практически не­сжимаемы, и поэтому являются надежным основанием различ­ных сооружений. Они обладают водопроницаемостью и слабо сопротивляются воздействию землетрясений. 5.4 Песчаные грунты К этому виду относят рыхлые обломочные породы, содержащие в своем составе менее 50% обломков более 2 мм. Этот класс представлен песками различной крупности, что в значительной степени определяет их свойства. Пески могут быть в рыхлом и плотном состоянии. Пески в сухом состоянии сыпучие, во влажном состоянии — текучие. Водопроницаемость песков довольно высокая. При воздействии сотрясений рыхлые пески легко переходят в плотные. Наиболее прочными являются пески, содержащие кварц и поле­вые шпаты. Пески при статических нагрузках в сухом состоянии являются надежным основанием для сооружений. 5.5 Глинистые грунты Глинистые грунты — это вид дисперсных осадочных пород. Для них характерно присутствие в составе значительного количества тонкодисперсных частиц, состоящих преимущественно из глинистых минера­лов. Среди глинистых пород выделяют собственно глины и раз­нообразные глинистые породы. Глинами принято считать тонко­дисперсные горные породы, содержащие более 30% частиц раз­мером менее 0,005 мм. К глинистым породам относят также суглинки и супеси, отличающиеся главным образом по содер­жанию глинистых частиц. Свойства глинистых грунтов определяются в основном глини­стыми и пылеватыми частицами, а также находятся в большой зависимости от влажности. Если содержится только прочносвязанная вода, то грунт имеет свойство твердого тела. При наличии рыхлосвязанной воды грунт — пластичный. При наличии сво­бодной воды грунт характеризуется текучей консистенцией. Общие свойства глинистых грунтов в значительной мере оп­ределяются структурой грунта. Глинистый грунт с нарушенной структурой, перемятый; характеризуется пониженной прочнос­тью и большим набуханием. Глинистые грунты являются нередко основаниями различных инженерных сооружений. Их особенностью является значитель­ная сжимаемость под давлением и изменение свойств во време­ни. Здания и сооружения, возведенные на глинистых грунтах, дают осадку в результате их сжимаемости, происходящей за счет уменьшения пористости. 5.6 Илы Илами называют современные осадки, образовавшиеся главным образом в результате накопления мелко- и тонкодис­персного материала механическим или химическим путем на дне морей, лагун, озер, болот или в поймах рек. По гранулометрическому составу илы могут быть супесча­ными, суглинистыми, глинистыми, а также тонкозернистыми песчаными Для илов характерно повышенное (до 2-3% и даже до 10-12%) содержание органики. В засушливых климатических зонах они иногда содержат водорастворимые соли в тонкодисперсном виде или в виде кристалликов или прослойков. В типичных глинистых и песчаных илах обычно вы­сокое содержание пылеватых частиц. Нередко в илах наблюдается повышенное содержание карбо­натов даже в тонкодисперсной части. В составе поглощающего комплекса различных илов основное место занимают Са2+, Mg2+, a Na+ и К+. В толщах илов происходят процессы, изменяющие состав, состояние и свойства осадков и превращающие их в горные породы. Таким образом, илы явля­ются образованиями начальной стадии формирования тонкодис­персных песчаных или глинистых пород. Поэтому на суше илы существовать не могут, так же как и на больших глубинах под толщей других пород. Прочность илов предельно мала. Угол естествен­ного откоса илов стремится к нулю. При приложении к илам даже малых усилий они переходят в текучее состояние. Приведенная характеристика илов указывает на то, что они являются слабыми основаниями. Строительство на них возмож­но при условии искусственного улучшения их свойств (уплотне­ние, укрепление, дренирование вертикальными песчаными дре­нами). Проверенными способами строительства на илах явля­ются применение свайных фундаментов и устройство подушек из каменной наброски. 6 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭНДОГЕННЫХ ПРОЦЕССАХ 6.1 Общие сведения Земная кора находится в постоянном и непрерывном движении: землетрясения, складчатые и разрывные нарушения, блоково-купольные поднятия, опускания и т.д. Эти движения и изменения лика земной коры происходят под действием внут­ренних (эндогенных), так называемых, тектонических сил Земли. Геологические тела, возникающие при тек­тонических движениях, несмотря на их значительное разнообра­зие, довольно приемлемо отражают главные движения земной коры: а) горизонтальные перемещения блоков земной коры; б) вертикальные колебательные движения в виде сопряжен­ных во времени и пространстве поднятий и опусканий участков земной коры; в) складчатые деформации, поражающие практически все слоистые толщи земной коры; г) разрывные нарушения, расчленяющие земную кору на блоки различных размеров, включая мелкую трещиноватость; д) магматические и вулканические перемещения расплавленного материала, взрывных газов, водных и грязевых смесей; е) метаморфизм горных пород, возникающий в результате подъема глубинных флюидов и термических аномалий, что обусловлено тектоническими дислокациями и внедрением извер­женных пород; ж) сейсмические движения земной коры, землетрясения. Процессы внутренней динамики Земли — это процессы, проис­ходящие в недрах Земли за счет распада радиоактивных элемен­тов, в результате вращения Земли и ее силы тяжести. К числу важных процессов внутренней динамики следует отнести тектонические явления, изменяющие первоначальные условия залегания горных пород. Тектонические процессы в зависимости от формы проявления делятся на три типа: колебательные; складчатые; разрывные. По времени проявления они подразделяются на: 1) современные; 2) новейшие и 3) прошедших геологических периодов. 6.2 Колебательные движения Колебательные движения земной коры — ее поднятия и опускания — происходят в настоящее время, происходили и в более ранние периоды на всем протяжении геологической истории континентов. Опускание участка земной поверхности сопровождается трансгрессией (наступлением) моря, подъем — регрессией (отступлением). Причиной опусканий и подъемов являются медленные вертикальные тектонические движения, нередко имеющие колебательно-периодический характер. Колебательные движения земной коры влекут за собой ряд по­следствий. Так, поднятие земной коры вызывает ее расчленение, что иногда обусловливает образование оврагов. Значительно влияние современных колебательных движений и на работу рек. Если вслед­ствие колебательных движений происходит поднятие местности, то река будет интенсивно углублять свое русло. При слабо устойчи­вых берегах донная эрозия влечет образование оползней, обвалов. 6.3 Складчатые деформации В результате проявления деформации горные породы смина­ются в складки. Складчатости обычно подвержены осадочные горные породы. Накапливаясь в морях и океанах, породы об­разуют горизонтальные пласты (рис. 6.1). В пласте различают (рис. 6.1): кровлю, подошву и мощ­ность (расстояние от подошвы до кровли). Залегание осадочных пород может также быть в форме линзы или пропластка. Рис. 6.1- Пласты осадочных пород; а — пласт; б — кровля пласта; в — подошва; г — пропласток; д — линза. В спокойных тектонических условиях пласты осадочных пород залегают горизонтально один на другом. Границы раздела пластов параллельны между собою. В таких случаях говорят о согласном залегании пластов (рис. 6.2, а). Рис.6.2-Залегание пластов: а) согласное; б) несогласное Согласно залегающими породами сложены обширные территории Сибир­ской, Русской и других платформ. Для таких участков земной Коры характерны равнинные, слабовсхолмленные пространства. Прежде го­ризонтально залегающие пласты под действием внутренних сил могут быть собраны в складки. При последующем опускании участка суши вновь образующиеся пласты залегают уже на не­горизонтально залегающих пластах. В таких случаях говорят о стратиграфическом несогласии (рис. 6.2 б). Простейшей формой складчатой деформации является склад­ка - волнообразный изгиб пластов. В каждой складке различают: 1) крылья складки — боковые части складки; 2) ядро — внутренняя часть складки между выходом одного пласта: 3) осевая плоскость — плоскость, разграничивающая крылья складки и делящая угол складки при вершине пополам; осевая плоскость бывает плоскостью со сложной поверхностью; она может быть вертикальной, наклонной и горизонтальной; 4) ось складки — линия пересечения осевой плоскости с гори­зонтальной плоскостью; она формируется прямолинейной, из­вилистой, но всегда горизонтальной; 5) шарнир складки — линия пересечения поверхности пласта с осевой плоскостью; он может быть горизонтальным и наклонным. 6.4 Разрывные нарушения Движение, испытываемое земной корой, нередко сопровож­дается формированием не только складчатых, но и разрывных нарушений. Коровые разрывы в зависимости от направления относитель­но смещения блоков, именуемых крыльями разрыва, разделяют на отдельные виды. Если плоскость смещения не вертикальна, крыло, под которое наклонена эта плоскость, на­дают висячим, а противоположное — лежачим. Разрывные нарушения чрезвычайно разнообразны по масштабу, по форме и происхождению; среди множества различных форм выделяются следующие, часто встречающиеся: сброс, взброс, грабен, горст, (рис. 6.3), а также: ступенчатые сброс и взброс, сдвиг и надвиг. Сброс — это тектонический разрыв, при котором лежачее крыло поднято, а висячее - опущено. Сместитель падает в сто­рону опущенного крыла. В случае если висячее крыло оказа­лось поднятым относительно лежачего, разрыв именуется взбро­сом. а) б) Рис.6.3-Разрывные дислокации: а) сброс; б)взброс Аналогичный разрыв, но с плоскостью смещения, на­клоненной под углом менее 45°, называется надвигом. Депрес­сии, ограниченные сбросами, падающими один навстречу дру­гому, называются грабенами. Горст— поднятый уча­сток земной коры, ограниченный с двух сторон падающими от него сбросами. а) б) Рис.6.4-Разрывные дислокации: а) грабен; б)горст 7 ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Землетрясения – это всякое сотрясение поверхности Земли, воспринимаемое как толчок и вызываемое преимущественно тектоническими процессами. По своему происхождению землетрясения бывают: • тектонические; • вулканические; • денудационные; • искусственные (техногенные). Тектонические землетрясения возникают в результате движения блоков земной коры. Вулканические землетрясения происходят вследствие ударов движущейся при извержении лавы о выступы на стенках подземных каналов. Область распространения этих землетрясений ограничена. Денудационные – вызываются крупными обвалами горных массивов и обрушением кровли крупных пещер. Искусственные – вызываются деятельностью человека. Возникают они при массовых взрывах, испытании термоядерного оружия, иногда при возведении водохранилищ. Незначительные сотрясения происходят от ветра, морского прибоя. При этом возникают колебания с периодом в несколько секунд и амплитудой до десятка микрометров. Внешняя оболочка Земли состоит из ограниченного числа «плит». Указанные блоки земной коры находятся в постоянном движении и все наиболее важные изменения на поверхности Земли происходят только по литосферных плит. Неравномерность и неоднородность движения литосферных плит земной коры создают условия для периодической концентрации напряжений. В случае, если напряжение превысит прочность горных пород на стыке плит, горные породы разрушаются, что сопровождается резким перемещением литосферных плит. Происходит сотрясение, воспринимаемое как землетрясения. При этом выделяется энергия, распространяющаяся в форме упругих сейсмических волн от очага землетрясения к поверхности Земли. Скорость распространения сейсмических волн определяется составом и физическим состоянием пород. В общем случае эту зависимость можно сформулировать следующим образом: • в плотных горных породах сейсмические волны распространяются быстрее и захватывают большие пространства; при этом разрушения зданий на этих горных породах менее значительны, чем рыхлых. • в рыхлых горных породах волны распространяются слабее, но в то же время они являются наиболее разрушительными, вследствие неравномерного уплотнения пород и неравномерной осадки сооружений. Они разрушительны и в тех случаях, когда рыхлые породы незначительной мощности лежат на кристаллических породах и заболоченных землях. Разрушительная сила землетрясений зависит от их интенсивности (т.е. от количества освобождаемой энергии) и от глубины распространения очага – гипоцентра. Чаще землетрясения возникают на глубине 20 – 50 км. Вертикальная проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Сначала сейсмические волны достигают эпицентра, где удар направлен по вертикали. Затем сейсмические волны выносят колебания частиц в другие места земной поверхности, где удары направлены сбоку. Чем меньше угол выхода удара α, тем слабее будут осуществляться удары. Различают 2 типа волн: P – продольные и S – поперечные. Рис.7.1-Распространение колебательных движений от области очага землетрясения: г – гипоцентр; э – эпицентр Продольные волны вызывают колебания частиц горных пород вдоль направления сейсмических волн, и они проявляются в виде переменного сжатия и расширения вещества в направлении их распространения. Продольные волны обладают наибольшим запасом энергии и распространяются с максимальной скоростью в твердых, жидких и газообразных средах. Скорость распространения продольных волн в гранитах и аналогичных породах составляет 5000 – 7000 м/с, в известняках 2000 – 5000 м/с, глинах – 1500 – 2000 м/с, песках – 500 – 1000 м/с. Поперечные волны вызывают колебания частиц среды в направлении, перпендикулярном к направлению луча продольной волны. Поперечные волны распространяются только в твердой среде и несут меньший запас энергии. Скорость распространения меньше в 1,7 раза, чем у продольных волн. На поверхности земли от эпицентра во все стороны расходятся волны особого рода – поверхностные (L – волны), являющиеся по своей природе волнами тяжести. Заключение о тектонической природе землетрясений основано, прежде всего, на том факте, что области распространения сильных и частых землетрясений совпадают с областями проявления новейших, интенсивных тектонических движений. Таким образом, основной причиной сейсмической активности земной коры следует считать тектонические процессы, т.е. процессы движения вещества в наружных частях земного шара. 8 ВЫВЕТРИВАНИЯ, СЕЛИ 8.1 Выветривание Выветривание – это процесс физического и химического разрушения горных пород под воздействием температурных колебаний, замерзания и оттаивания воды в трещинах пород, под химическим воздействием воды, а также в результате деятельности различных организмов, газов: кислорода и углекислого газа (находящихся в атмосфере и растворенных в воде) и ветра. Главной особенностью выветривания является постепенное дробление горной породы, при котором происходит исчезновение прочных связей и возникновение новых, сравнительно слабых в механическом отношении связей. Процессы выветривания всегда изменяют внешний облик горной породы, при этом изменяются: • минеральный состав; • цвет; • степень раздробленности; • прочность породы. В зависимости от действия тех или иных факторов на горные породы и результатов этого воздействия процессы выветривания подразделяются на два типа: физическое и химическое. Оба типа выветривания теснейшим образом связаны друг с другом, проявляются совместно и одновременно и только интенсивность проявления каждого из них неодинакова. Она зависит от климата, рельефа, тектоники, состава горных породи других факторов. Физическое выветривание обусловлено факторами, вызывающими, главным образом, механическое дробление пород. При этом типе выветривания основным фактором является температура. Колебания температуры обусловливают изменения размеров зерен минералов. Зерна минералов при колебании температуры испытывают то расширение, то сжатие. Расширение породы при нагревании сильнее сказывается в поверхностных частях, нежели во внутренних. То же самое происходит и при охлаждении. Сжатие горных пород, вызванное ночным охлаждением, распространяется от поверхности в глубину и встречается с остаточным расширением их от дневного нагревания, что еще больше способствует разрушению породы. Механическое воздействие на горные породы оказывает нередко корневая система древесной растительности. По мере разрастания дерева увеличиваются в размере и его корни. Они давят с большой силой на стенки трещин, раздвигают их и тем самым вызывают разрушение массива пород. Механическую работу производят и разнообразные роющие животные. На интенсивность выветривания влияет и различие в окраске горных пород. Под воздействием солнечной энергии сильней нагреваются темноцветные минералы, и вследствие этого, пестроокрашенные породы разрешаются быстрее, чем одноцветные. Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Химическое выветривание пород представляет собой их разрушение под воздействие химически активных элементов атмосферы, гидросферы, биосферы, сопровождающаяся изменением их состава. Наибольшей химической активностью обладает вода. Легко передвигаясь, она вызывает разнообразные механические, физико-химические процессы, которые приводят к разрушению горных пород. Наиболее сильно выветривание проявляется у поверхности Земли. Постоянное воздействие выветривания на земную поверхность приводит к образованию различных продуктов выветривания. Они могут накапливаться на месте образования, либо переноситься на те или иные расстояния под действием силы тяжести, воды, ветра. 8.2 Овражно-балочные явления Дождевые и талые воды, стекая со склонов, совершают огромную работу по размыву рыхлых образований, покрывающих склоны. Под влиянием этого территории приобретают рельеф эрозионного расчленения в форме оврагов. Овраги – это крутостенные рытвины или долины в рыхлых породах, возникающие в результате деятельности временных потоков. Овраги интенсивно расчленяют местность, уничтожают полезные площади на огромных просторах и оказывают разрушающее действие на железнодорожное хозяйство. Ущерб железным дорогам наносится как непосредственно самими оврагами, подступающими в процессе роста к железнодорожным сооружениям, так и овражными выносами. Выносы вызывают заносы малых искусственных сооружений. Причинами, способствующими развитию оврагов, служат: 1 распашка задернованных крутых склонов, сложенных рыхлыми породами; 2 устройство неукрепленных канав на склонах; 3 выпас скота на склонах 4 всякое нарушение дернового покрова. По степени зрелости овраги делятся на: 1) деятельные или действующие; 2)потухшие. Потухшие овраги обычно имеют пологие склоны, заросшие кустарниками или деревьями, а деятельные (действующие) – крутые склоны, нередко почти отвесные. Для железнодорожного полотна и других инженерных сооружений непосредственную угрозу представляют действующие овраги; однако следует знать, что потухшие овраги при изменении гидрогеологических условий могут снова превратиться в действующие. Развитие оврага зависит от геологических, гидрологических и климатических условий. Из гидравлики известно, что чем больше скорость течения, тем больше размывающая сила воды. Поэтому образование оврагов вероятнее на более крутых склонах. Размывающая сила воды зависит также и от количества протекающей воды, а потому в местности, подверженной сильным ливням или быстрому снеготаянию, образование и рост оврагов происходит более интенсивно. Густой растительный покров замедляет быстроту стока воды, а открытые местности, незащищённые растительностью, более благоприятны для интенсивной оврагообразовательной деятельности. Кроме того, незащищённая земная поверхность испытывает более резкие колебания температуры, в результате чего появляются трещины, по которым бежит вода после ливней и при снеготаянии, размывая их в ширину и в глубину, что также служит причиной возникновения оврагов. Таким образом, возникновению и дальнейшему развитию оврага способствуют еще и следующие условия: 1 наличие рытвин или каких либо других мелких углублений, направленных вниз по уклону местности; 2 уклон местности, обеспечивающий необходимую для размыва скорость потока дождевых вод (около 5 – 80); 3 достаточно рыхлые породы; 4 большое количество интенсивно выпадающих атмосферных осадков. Существует четыре стадии формирования оврагов: - первая стадия образования оврага начинается с образования промоины или рытвины в почвенном или сильно выветрелом поверхностном слое пород глубиною до 0,5 м, реже до 1 м. - вторая стадия – стадия ускоренного врезания вершины оврага и происходит интенсивный размыв дна. - третья стадия развития оврага – стадия выработки продольного равновесия. Размыв дна заканчивается. Продольный профиль оврага – вогнутый. Однако боковая эрозия продолжается и овраг растет в ширину. - четвертая стадия – стадия затухания. Процесс развития оврага постепенно затухает. Склоны приобретают угол естественного откоса. Пологие склоны и дно закрепляются растительностью. Такие овраги называются балками. Разросшийся овраг обычно имеет главный стержень и ответвления – отвершки; все это называется овражной системой. Рис.8.1- План овражной системы: 1 – верх оврага; 2- устье; 3 – дно оврага; 4 – скаты или склоны оврага; 5 – отвершки оврага 8.3 Селевые потоки Сели – это временные грязекаменные потоки, возникающие в горных и предгорных районах при выпадении дождей ливневого характера или интенсивном снеготаянии. Опасность селевых потоков усугубляется внезапностью их происхождения, стремительностью движения и масштабностью размеров. В большинстве случаев селевые явления связаны с обильными осадками ливневого характера; реже их формирование происходит при интенсивном таянии ледников и снега в горах; иногда селевые паводки возникают при прорыве искусственных водоемов. Общий расход воды в потоке определяется размером бассейна и интенсивностью осадков. Следовательно, климатические условия водного питания горных рек, т.е. гидрологические условия, являются первым и важнейшим фактором формирования селевых потоков. Определенное влияние на интенсивность селевых потоков оказывает характер рельефа. В данном случае прямое влияние на формирование селей оказывают уклоны тальвегов, крутизна склонов, морфология долин. Одним из важных факторов, влияющих на формирование селей, является сейсмичность. Установлено, что наиболее интенсивные селевые проявления связаны с районами высокой сейсмичности. Образованию селей способствуют также и массовые отвалы горных пород на крутых склонах различных горнорудных предприятий. Сильные дожди размывают эти отвалы и нарушают состояние неустойчивого равновесия находящихся в рыхлом состоянии отвальных массивов. Десятки, а иногда и сотни тысяч кубометров грунта устремляются вместе с водой по руслам вниз. Такой сель ничуть не отличается от естественного селевого потока. Но не только отвалы отработанной горной породы могут образовывать искусственные селевые потоки. Мощные взрывы при производстве дорожных работ, при закладке карьеров за считанные секунды нередко разрушают горную породу сильнее, чем многолетние естественные физико-геологические процессы. На таких участках резко активизируются селевые явления. Таким образом, важным условием, определяющим формирование селевых паводков, является накопление в пределах водосборного бассейна рыхлого обломочного и глинистого материала, доступного для смыва водами. По своему составу он может быть также разнородным и состоять из глыб, валунов, гальки, щебня, дресвы, гравия, песка и глинистых грунтов. Влияние растительности на формирование селей сводится к ослаблению процессов выветривания. Растительность в общих чертах выполняет роль своеобразного барьера, который удерживает от смещения определенное количество твердой составляющей селевых потоков. Проявляется это, прежде всего, в скреплении корневой системой растений верхних горизонтов рыхлых отложений. Значительная часть крупнообломочного материала, движущегося с обнажений, практически всегда задерживается произрастающей растительностью. Нарушение же растительного покрова приводит к резкому возрастанию подвижности рыхлого материала и формированию селей. Классификация селей по гранулометрическому составу. По гранулометрическому составу твердой фазы различают сели: водокаменные; грязевые; грязекаменные. Водокаменный сель представляет собой механическую смесь щебня, песка и других включений размером более 2 мм с водой, которая служит для твердого материала транспортирующей средой. Движение таких селей сопровождается сильным грохотом, который слышен за несколько километров. Грязевые сели состоят из песка, пылеватых и большого количества глинистых частиц. Если селевый поток образуется за счет сползания в русло глинистых пород, он движется как вязкопластичное тело. В этом случае уже не вода транспортирует твердый материал, а происходит совместное движение жидкой и твердой составляющих селя в виде единой связной среды. Грязекаменные сели имеют повышенную вязкость, поэтому обладают способностью переносить не только дисперсный материал, но и валуны огромного размера. 9 ОСНОВЫ ГИДРОГЕОЛОГИИ 9.1 Общие сведения Гидрогеология – наука о подземных водах земной коры. Она изучает происхождение, закономерности распространения и движения подземных вод, а также их физические и химические свойства. Вода в природе встречается трех состояниях: парообразном, жидком и твердом. Переход из одного состояния в другое происходит в основном, под влиянием солнечного тепла, а также жизнедеятельности растений и других факторов. В горных породах наблюдается несколько видов воды, отличающихся по физическим свойствам: • парообразная; • физически связанная; • капиллярная; • гравитационная (свободная); • вода в твердом состоянии; • химически связанная вода в минералах. При гидрогеологических исследованиях определяются следующие свойства подземных вод: температура, прозрачность, цвет, запах и вкус. Температура подземных вод изменяется в широких пределах и зависит от геологического строения и физико-географических условий. По температуре подземные воды классифицируются следующим образом: • переохлажденные – ниже 0 0С; • холодные – 0-20 0С; • теплые (субтермальные) – 20-37 0С; • горячие (термальные) – 37-50 0С; • весьма горячие – 50-100 0С; • очень горячие (перегретые) – более 100 0С. Прозрачность подземных вод определяется количеством растворенных в них минеральных и органических веществ, а также содержанием механических примесей. По степени прозрачности подземные воды подразделяются на: прозрачные, слегка мутные, мутные и очень мутные. Цвет подземных вод зависит от химического состава и наличия примесей. Обычно подземные воды бесцветны. Жесткие воды имеют голубоватый оттенок; закисленные соли железа и сероводород окрашивают воду в зеленоватый цвет. Запах подземных вод обычно отсутствует, но иногда примеси придают какой–нибудь запах. Так неглубоко залегающие подземные воды имеют болотный запах. 9.2 Классификация подземных вод по гидравлическим свойствам Подземные воды по гидравлическим свойствам подразделяются на: • ненапорпые (воды со свободной поверхностью) — верховодка, грунтовые воды, межпластовые воды; • напорные, когда водоносный горизонт перекрыт сверху водоупорными породами и вода в водоносном горизонте испы­тывает гидростатическое давление, создавая напор. Верховодка — это ненапорные подземные воды, залегающие на небольшой глубине от поверхности Земли выше уровня грунтовых вод и имеющие ограниченное распростране­ние. Если в толще водопроницаемых пород залегает линза водо­непроницаемых пород, то проникающие сверху осадки, достигая линзы, задерживаются, скапливаются, образуя самостоятель­ный водоносный горизонт — верховодку. Верховодка обычно насыщает различные пористые породы. Она встречается также в верхней части коры выветривания скальных пород. Заметное влияние на формирование верховодки оказывает характер рельефа. Так на склонах, особенно крутых, где благо­приятны условия для поверхностного стока и неудовлетвори­тельны для инфильтрации, верховодка не формируется. Наилуч­шие условия для верховодки создаются на плоских водораз­делах, особенно в понижениях микрорельефа. На территориях больших городов образо­ванию верховодки способствуют также многочисленные пони­жения, ямы, старые котлованы. Ввиду незначительной мощности и распространения водо­упорных линз верховодка образует лишь временное скопление воды, которое исчезает в засушливое время года. Поэтому вода верховодки используется лишь для водоснабжения отдельных хозяйств сельской местности или снабжения мелких предприятий. Качество вод верховодки различно. В районах избыточного увлажнения они слабо минерализованы, в засушливых райо­нах — сильно минерализованы. На территориях городов воды верховодки, вследствие неглубокого залегания от поверхности, сильно загрязняются. Грунтовые воды — это ненапорные подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта. Сверху грунтовые воды обычно не перекрываются водонеп­роницаемыми породами, а водопроницаемый пласт они запол­няют не на полную мощность, поэтому поверхность грунтовых вод является свободной. Поверхность грунтовых вод называют зеркалом грунтовых вод, а на инженерно-геологических разрезах обозначают как уровень грунтовых вод — УГВ. В зависимости от количества выпадающих атмосферных осад­ков уровень грунтовых вод испытывает значительные колеба­ния; в сухое время и засушливые годы он понижается, в дожд­ливое время повышается. Грунтовые воды легко доступны для использования. Но, залегая на небольшой глубине, грунтовые воды подвержены иногда загрязнению. Слой (пласт) горных пород, содержащий грунтовые воды, называют водоносным горизонтом (водоносным пластом). Водонепроницаемые породы, подстилающие водоносный пласт, называются водоупором. Мощность водоносного горизонта определяется расстоянием от уровня грунтовых вод до кровли подстилающего водоупор­ного пласта. Грунтовые воды обычно имеют слабоволнистую поверхность с уклоном в сторону ближайшего понижения (речной долины, балки, оврага). Подчиняясь силе тяжести, грунтовый поток пере­мещается от повышенных участков к пониженным — по линии наименьшего сопротивления. Участок с горизонтальной поверхностью грунтовых вод назы­вается бассейном грунтовых вод. Он образуется на площадях по­ниженного залегания водоупорного ложа, борта которого нахо­дятся приблизительно на одних и тех же отметках. При проектировании и строительстве крупных инженерных сооружений необходимо знать условия залегания грунтовых вод на предполагаемой строительной пло­щадке: глубину залегания водоносного горизонта, его мощ­ность, направление грунтового потока, а также определить характер взаимодействия изучаемого водоносного горизонта с по­верхностными водами. Для решения этих задач производятся гидрогеологические работы. Гидрогеологические исследования на изучаемой площади завершаются составлением карты гидроизогипс. Гидроизогипсы -_ это линии на карте, соединяющие точки одинаковых значений отметок (абсолютных или относительных) уровня грунтовых вод Карта гидроизогипс отражает «рельеф» зеркала грунтовых вод и составляется по данным замеров уровня грунтовых вод в скважинах, шурфах, колодцах и источниках. Для этого все выработки и источники, в которых замерялись уровни грунтовых вод, наносят на топографическую карту, а уровни пересчитывают на абсолютные отметки, и по ним на карте про­водят горизонтали поверхности грунтовых вод, называемые гидроизогипсами. Напорные (артезианские) воды - межпластовые подземные воды, заключенные в глубоких водоносных горизонтах между водонепроницаемыми пластами. Они залегают в пределах сравнительно крупных геологических структур и в зонах тектонических разломов. Как правило, такие воды находятся под гидростатическим давлением. Характерными особенностями артезианских вод являются следующие: • они залегают ниже горизонта грунтовых вод; • режим артезианских вод является более стабильным по сравнению с грунтовыми водами; • артезианские воды менее подвержены загрязнению повер­хностными водами по сравнению с грунтовыми водами. 10 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК Реки – это постоянно действующие водные потоки, поэтому их геологическая деятельность неизмеримо больше, чем временных потоков. Протяженность водных артерий измеряется многими километрами. Чем больше в реке воды, чем выше скорость течения, тем значительнее работа, совершаемая рекой. Реки регулярно переносят в океаны и озера огромные объемы воды. Геологическая деятельность рек весьма разнообразна. Основными видами ее деятельности являются: • эрозия, в результате которой происходят подмыв и размыв берегов (боковая эрозия), истирание ложа водотоков водой; • перенос (транспортировка) водой продуктов разрушения и размыва; • отложение и накопление (аккумуляция) продуктов разрушения с образованием толщ речных отложений. Интенсивность эрозионно-аккумулятивного процесса определяют следующие факторы: • прочность размываемых пород. Прочность пород, слагающих русло и берега реки, имеют исключительно большое значение. На участках, сложенных легко размываемыми горными породами, эрозионные процессы проявляются резко. • характер переносимых рекой наносов, способных производить истирание дна реки. Наибольшей способностью обладают обломки твердых скальных пород в виде булыжника, гальки, а также кварцевый песок. • гидрологический режим реки, т.е. мощность и скорость потока. Роль этих факторов существенно возрастает в период паводков. Основным источником питания рек служат атмосферные осадки. Однако водный баланс рек во много зависит от климатических и физико-географических условий. В этой связи различают реки с преобладанием : снегового питания; дождевого питания; ледникового питания. В реках, где преобладает снеговое питание, весенний сток составляет 50-70% от годового. В этот период на таких реках наблюдаются половодья, уровень воды в них повышается на несколько метров и проявляется интенсивное развитие эрозионных процессов. На реках, питание которых осуществляется главным образом за счет дождевых вод, половодье и паводки проявляются в летнее и осеннее время во время продолжительных и интенсивных дождей. На реках, в питании которых большое значение имеют воды от таяния ледников в горах и дождей, расход воды возрастает в десятки раз, что нередко вызывает формирование селей. Периоды половодий и паводков, т.е. периоды повышения уровней воды в реке, увеличения расхода и скорости течения, являются периодами интенсивного проявления эрозионных процессов. Интенсивность эрозионного процесса определяется скоростью водного потока. 4.Величина уклона – значительный уклон поверхности стока только благоприятствуют формированию поверхностного стока и развитию эрозионных процессов. В формировании речных долин большое значение имеют эрозионные процессы. В результате эрозионной деятельности водного потока в начале проявляется его врезание в толщу пород земной коры. Происходит глубинная эрозия, в результате которой идет формирование речной долины. Под долинами следует понимать сильно вытянутые в длину, обычно извилистые углубления в земной коре, имеющие уклон от верховьев к устью. Глубина врезания, т.е. глубинная эрозия, определяется базисом эрозии. Под базисом эрозии понимают горизонтальную поверхность, на уровне которой водный поток теряет свою силу и ниже которой он не может углубить свое ложе. В природных условиях уклон реки не всегда бывает равномерным, вследствие того, что ложе водотока обычно отличается большими неровностями, так как горные породы, слагающие эту поверхность, характеризуются различным составом и прочностью. В этом случае мягкие породы размываются, а твердые скальные, задерживая углубление реки, способствуют образованию порогов. Если в ложе водотока встречаются уступы, река образует водопады. Наблюдения над работой водопадов свидетельствует о разрушительной силе падающей воды. Падающие струи воды с большой силой размывают дно реки возле уступа и отражаясь от него, образуют сложные водовороты. С проявлением донной эрозии строителям приходиться сталкиваться во всех случаях при размещении мостовых опор в русле водотока или на его пойме, затапливаемой в половодье. Стеснение живого сечения потока опорами, сопровождаемое увеличением его скорости, ведет в этих случаях к интенсивному углублению русла. Следует отметить, что углубление русел водотоков в результате проявления донной эрозии приводит к развитию на берегах водотоков оползней и к обрушению самих берегов. С повышением базиса эрозии река прекращает углубление своего русла. И на смену глубинной эрозии приходит боковая эрозия, которая вызывается: Влиянием кривизны (извилистости реки); Влиянием вращения Земли. Причинами извилистости русла реки являются встречающиеся на пути потока трудно- и легкоразмываемые берега. Боковая эрозия вызывается и вращением Земли. Замечено, что реки текущие в меридиональном направлении в Северном полушарии, откланяются вправо, реки Южного полушария – отклоняются при своем течении влево. Сильнее подвергаются воздействию боковой эрозии вогнутые участки русла, где берег находится под непосредственным воздействием течения. В береговой зоне могут получить развитие оползни и осыпи. Наряду с эрозионной деятельностью речной поток обладает хорошей транспортирующей способностью. Перенос материала рекой осуществляется: 1) В растворенном виде; 2) В коллоидных растворах; 3) Волочением обломков горной породы по дну. Перенос в виде химических и коллоидных растворов осуществляется при любых скоростях течения. Перенос более крупного материала обуславливается скоростью движения воды. Одновременно с эрозией и переносом материала происходит и его отложение. Отложения, накапливающиеся в речных долинах, называются аллювиальными отложениями или просто аллювием. Они состоят из обломочного материала различной зернистости, степени окатанности, а также пылеватых и глинистых частиц. В процессе размывающей и аккумулятивной деятельности реки вырабатываются долины различной формы. Основными элементами речной долины являются: • Русло – часть ложа долины, занятая потоком; • Дно долины – низшая часть долины, заключенная между подошвами склонов; • Тальвег – условная линия, соединяющая самые глубокие точки дна долины; • Пойма – часть долины, заливаемая водами при паводках. • Надпойменные террасы. Рис.10.1-Схема речных террас: Р - русло; П - пойма; I II – надпойменные террасы; 1 –аллювий; 2 – коренные породы. Вследствие неравномерного хода тектонических движений земной коры, в развитии речных долин наблюдается чередование этапов глубинного врезания с этапами его замедления, сопровождающегося накоплением аллювия. 11 ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЛЕДНИКОВ Ледники — это движущиеся естественные скопления льда, воз­никающие на поверхности суши при постепенном уплотнении и перекристаллизации многолетних скоплений снега. Ледники покрывают 11% поверхности суши (16,2 млн. км2). 98,5% этой площади приходится на ледники Антарктиды, Грен­ландии и островов Северного Ледовитого океана. Необходимые условия образования ледников — это холод­ный климат и твердые атмосферные осадки. В таких условиях происходит постепенное накопление снежного покрова, так как выпадающий за зиму снег в летнее время растаивает не весь. При существовании такого режима продолжительное время тол­щина снежного покрова из года в год увеличивается. Выпадаю­щий снег под влиянием лучей солнца оплавляется и превраща­ется в зернистый снег — фирн. Фирн под влиянием цемента­ции замерзающей воды превращается в фирновый лед, а он при дальнейшем уплотнении — в сплошной глетчерный . В зависимости от условий образования ледни­ков, их формы, размеров различают ледники материковые (по­кровные) и горные, иногда выделяют ледники плоскогорные. Покровные ледники отличаются значительным площадным распространением и большой мощностью. К покровным от­носят ледники Антарктиды, Гренландии, островов Северного Ледовитого океана. Самый крупный из них — ледник Антарк­тиды, занимающий площадь 13,9 млн. км2. Горные ледники значительно меньше по размерам. Так, 120 разобщенных ледни­ков Северного Урала занимают всего 7 км2. В России горные ледники встречаются на Кавказе, Урале, в горных районах Сибири и Дальнего Востока. Несмотря на то, что лед является твердым телом, он все же обладает значительной пластичностью. Поэтому в горных лед­никах движение льда подобно течению воды в реках, с той лишь Разницей, что скорость движения льда значительно меньше скорости течения воды. Она весьма изменчива и зависит от интен­сивности питания, уклона поверхности подледникового ложа. Скорости движения ледников различны в поперечном сечении. Срединные части ледника, где мощность льда больше, движутся быстрее, краевые — менее мощные и испытывающие трение о борта долины — медленнее. Вследствие изменчивости попереч­ного сечения долины, неровности подледникового ложа, разли­чия скорости движения, ледники, перемещаясь по долинам, ис­пытывают деформации, приводящие к возникновению трещин. Геологическая деятельность ледников заключается прежде всего в том, что они истирают своей тяжестью, а также вмерзши­ми в их придонные части камнями ложе долины, придавая ей форму кара, цирка, трога. Кары — это нитеобразные (креслообразные) углубления в верхних частях склонов гор. Ледниковые цирки — это чашеоб­разные котловины, имеющие форму амфитеатра и представляю­щие собой сильно расширенные части верховьев горных долин. Троги представляют собой ледниковые долины, имеющие ко­рытообразный вид. Разрушительная работа ледников особенно интенсивно про­является при больших мощностях льда, когда создаются огром­ные давления на ледниковое ложе. Она значительно усиливается благодаря обломкам горных пород, захваченных ледником. Лед­ники, насыщенные обломочным материалом, истирают, бороз­дят поверхность подстилающих твердых скальных пород. Бороз­ды имеют глубину, измеряемую в миллиметрах, но иногда десятками сантиметров. Ледник переносит обломки горных пород. Этот обломочный материал, заключен­ный в тело ледника, называют мореной. Морены бывают движу­щимися и неподвижными — отложенными. В зависимости от положения движущейся морены в теле ледника различают море­ну поверхностную, внутреннюю и донную (рис. 11.1). а) б) Рис.11.1-Схема расположения морен: а) в поперечном разрезе; б) в плане; А-боковая; Б – срединная; В -внутренняя; Д -донная; С –конечная морена. Поверхностная морена находится на поверхности ледника. Она может быть боковой (расположенной по краям ледника) и срединной, образующейся при слиянии нескольких ледников. Поверхностная морена при таянии льда перемещается внутрь ледника и становится внутренней мореной. Нижнюю часть море­ны, передвигающуюся по дну ледника, называют донной море­ной. Отложенные морены состоят из самого разнообразного материала, от самых тонких частиц, до крупных валунов, диа­метром до 2-4 м и более. Отложенные морены характеризуются неоднородностью состава и отсутствием слоистости. Среди от­ложенных морен различают морены конечные и основные. Конечные морены образуются из материала движущихся морен всех видов. Они образуют в конце ледника валы обычно дугообраз­ной формы. Основные морены представляют собой накопление обломочного материала донной, внутренней и поверхностной морен, что связано с быстрым отступлением ледника или с полным таянием. 12 ДВИЖЕНИЕ ПОРОД НА СКЛОНАХ 12.1 Осыпи Континентальный кли­мат, расчлененный рельеф местности весьма благоприятствуют разрушению самых крепких горных пород. Постепенно от горных массивов откалываются обломки разного размера и под действием силы тяжести они скатываются вниз по склону. Проходят сотни тысячи лет и у подножий склонов скапливаются большие массы обломочного материала, называемого осыпями. Таким образом, осыпи представляют собою скопление в нижних частях склонов обломочного материала, образующего валы различной длины или конусы. Конусы осыпей нередко достигают огромных размеров, иногда они сливаются в сплошной шлейф вдоль подно­жия крутых скальных бортов. Осыпи иногда глубоко вдвигаются в долины, отклоняя часто течение горных рек, а во время сильных паводков осыпной ма­териал легко вовлекается в водные потоки, становясь продуктом питания твердой составляющей селевого потока. По степени подвижности осыпи подразделяются на следую­щие виды: 1) действующие, т.е. находящиеся в движении и постоянно пополняющиеся осыпным материалом. Если осыпь упирается в реку и быстрый поток, подмывая, уносит обломки, это вызыва­ет ее перемещение. На поверхности действующих осыпей обыч­но не произрастает никакая растительность; 2) затухающие. В этом случае часто на поверхности подоб­ных осыпей произрастает травянистая растительность; 3) затухшие осыпи. На поверхности таких осыпей уже про­израстает древесная и кустарниковая растительность. С точки зрения общей устойчивости осыпи подразделяются на контрфорсные и висячие (рис. 12.1). а) б) Рис.12.1-Виды осыпей по общей устойчивости: а) контрфорсная; б) висячая 1-коренная порода; 2-аллювий; 3-водоток; 4 –осыпь. Отличительной особенностью контрфорсной осыпи является наличие в ней некоторой упорной части. 12.2 Обвалы Под обвалами следует понимать внезапное обрушение масс горных пород вследствие нарушения условий равновесия. Воз­никновение обвалов обычно совпадает с периодами таяния сне­га, выпадения ливневых дождей, весенних оттепелей, когда на­чинает таять лед в трещинах скал. В образовании обвалов боль­шую роль играют высота, крутизна склонов и прочность гор­ных пород по отношению к выветриванию. В горных районах обвалы довольно распространены. Практика показывает, что при обрушении каменного материа­ла образуются завалы автомобильных и железных дорог, приво­дящие к запрудам рек, а также к разрушению различных искусст­венных сооружений на дорогах. Поэтому при проектировании новых дорог и других линейных сооружений следует учитывать возможность проявления обвалов, необходимо тщательно обо­сновывать выбор варианта трассы и предусматривать противооб­вальные мероприятия. Существенными факторами, влияющими на образование об­валов, являются: 1. Обрывистый характер горных склонов. 2. Плохая зачистка откосов от неустойчивых блоков пород. 3. Чрезмерная подрезка склонов откосами выемок и полувы­емок, придание им недопустимо большой крутизны без учета условий залегания: слоистости и трещин. 4. Производство взрывных работ там, где это недопустимо. 5. Повышенная сейсмичность, вызывающая нарушение ус­тойчивости пород. 6. Нарушение стока дождевых и талых вод. 7. Вибродинамическое воздействие проходящих поездов. 8. Неудовлетворительная работа противообвальных защит­ных сооружений. Огромное влияние на формирование обвалов оказывает трещиноватость. В тех случаях, когда горные породы в обнажени­ях на склонах и откосах разбиты редкими трещинами, обвалы представляют собой особенно значительную угрозу вследствие большой разрушающей силы крупных падающих глыб и бло­ков. 12.3 Оползни Оползни – это скользящее смещение пород по склону под действием силы тяжести, гидродинамического давлении, сейсмических и других сил. Они представляют угрозу для всех видов инженерных сооружений, в том числе и для транспортных магистралей. Оползневой процесс длительный и необратимый. Скорость движения оползня колеблется от нескольких милимметров в год до 10-30м и более в сутки. Мощности оползневых тел бывает порой весьма значительной, и в зависимости от глубины захвата они подразделяются на категории. Морфология оползневого склона зависит от характера слага­ющих склон пород, условий их залегания. При изучении опол­зней различают: а) поверхность скольжения; б) глубину захва­та склона оползнем; в) подошву оползня и г) оползневое тело (рис. 12.2). Рис.12.2-Схема оползневого склона: 1-первоначальное положение склона; 2-ненарушенный склон; 3-оползневое тело;4-поверхность скольжения; 5-тыловой шов; 6-надоползневой уступ; 7-подошва оползня; 8-вал выпучивания; 9-бровка оползня. Поверхностью скольжения (плоскостью скольжения) называ­ют поверхность, по которой происходит движение сползающего массива пород. В зависимости от геологического строения скло­на и свойств слагающих его пород форма поверхности скольже­ния может быть различной. В однородных глинистых породах поверхность скольжения чаще имеет характер плавной кривой. При скольжении пород по поверхности напластования, по тек­тоническим трещинам поверхность скольжения может быть волнистой, ломаной или прямой. Глубиной захвата склона оползнем считают расстояние от верхней поверхности оползня до поверхности скольжения, измеренное по нормали к поверхности склона. Оползневой цирк – это выемка, образовавшаяся на склоне в результате оползания части слагающих его пород. Бровка оползня – дугообразная линия, ограничивающая оползень со стороны склона. Оползневое тело – это весь массив оползших пород. В плане оползни могут иметь весьма разнообразные очертания, что связано с условиями их образования (рис. 12.3). а) б) в) Рис.12.3 – Формы очертаний оползней: а) циркообразный; б) фронтальный; в) оползень поток. Чаще наблюдаются циркообразные оползни. Длина их по фронту (вдоль склона) примерно равна ширине распространения. Встречаются фронтальные оползни — это оползни, у которых глав­ный и внутренний уступы вытянуты вдоль склона. Длина таких оползней по фронту значительно больше ширины. Реже наблю­даются глетчерообразные оползни, вытянутые вдоль понижений в рельефе. Ширина их распространения значительно меньше длины. Рельеф поверхности оползня обычно неровный, бугристый с западинами, дерновый покров обычно разорван, деревья накло­нены в разные стороны, образуя «пьяный лес». Иногда деревья пригибаются, и стволы их приобретают извилистые очертания. Важной особенностью оползневых участков являются водопроявления в разных формах. Источники подземных вод, сосре­доточенные или рассеянные, появляются в разных местах опол­зневого участка: вдоль главного уступа цирка, в его основании, у подошвы оползня или вдоль его бортов. Нередко выходы подземных вод заболачивают поверхность оползня и тем самым снижают его устойчивость. Важным признаком оползневых смещений являются дефор­мации сооружений. Они проявляются различно: в смещении зданий, полотна железных дорог, раздавливании, разрушении дренажей и поверхностных водоотводов. 13 ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ НА ГОРНЫЕ ПОРОДЫ 13.1 Плывуны Плывуны - это насыщеные водой грунты, при вскрытии преобретающие свойства вязкой жидкости. Они представляют собой большую опасность при выполнении строительных работ. Если плывуны вскрываются подземными выработками, то они сравнительно быстро заполняют её, а вышележащие массы начинают сдвигаться и тоже приходят в движение. Установлено, что плывуны - это слабые, неустойчивые породы, требующие специальных методов ведения строительных работ и специальных мероприятий по обеспечению устойчивости сооружений. В плывунное состояние могут переходить пески, супеси, лессы, суглинки, озёрные илы, глины. Таким образом, плывуны - это не какой-либо определённый тип горной породы, а особое состояние породы. Плывуны очень осложняют процесс проходки горных выработок и строительство сооружений. При проходке котлованов происходит обрушение их стенок, разжижение грунтов при сотрясении, выполаживание откосов, заплывание котлована грунтом. Давление плывунов часто вызывает искривление стволов шахт, разрушает крепление подземных горных выработок. Проявление плывунности грунтов может привести к деформации и даже разрушению сооружения.. Анализ причин, которые вызывают переход грунтов в плывунное состояние, позволяют подразделять плавуны на истинные и ложные. Группу истинных плывунов составляют рыхлые горные породы - глинистые пески, супеси, суглинки, глины. Они переходят в плывунное состояние не только под воздействием гидродинамического давления, но, главным образом, из-за наличия в их составе минеральных и органических коллоидов. Ложные или псевдоплывуны представляют собой преимущественно среднезернистые или тонкозернистые пески. Переход их в плывунное состояние происходит под влиянием гидродинамического давления потока подземных вод, т.е. в результате наличия гидравлического градиента, возникающего при вскрытии выемки, котлована, траншеи, который, взвешивая частицы грунтов, устраняет трение между ними. 13.2 Суффозия Слово "суффозия" от латинского означает "подкапывание". Этот процесс теснейшим образом связан с деятельностью подземных вод, которые в своем движении оказывают механическое и химическое воздействие на вмещающие породы. При этом частицы вмещающей породы выносятся, и толща вышележащих пород оседает над образовавшимися пустотами с образованием воронок. Таким образом, под суффозией следует понимать процесс выноса частиц в рыхлых породах подземными водами, сопровождающийся оседанием поверхности земли. Развитие суффозийного процесса и его интенсивность определяется следующими факторами: 1) минералогическим составом пород; 2) размерами частиц, слагающих породу; 3) размером пор; 4) величиной гидродинамического давления; 5) скоростью фильтрации движущегося водяного потока. Минералогический состав обусловливает развитие суффозии в том случае, если в составе водоносного горизонта находятся водорастворимые минералы (гипс, ангидрит, галит и др.) В этом случае проявляется химическая суффозия. В процессе химической суффозии разрушаются кристаллические связи, частицы освобождаются и перемещаются водяным потоком. Проявление такой суффозии отмечается в лёссах. Такая суффозия является причиной образования в лёссах пустот (пещер, ходов), иногда имеющих значительные размеры. Что касается размера частиц и пор, наблюдениями установлено: что суффозийный процесс получает наибольшее развитие в том случае, когда основная масса породы состоит из двух резко различных по размеру фракций. Для предупреждения суффозии рекомендуются следующие мероприятия: 1) Предотвращение поступления и передвижения воды в породах путём регулирования поверхностного стока или перехватом подземных вод дренажными устройствами. 2) Устройство обратных фильтров при строительстве дренажей вдоль железнодорожного пути. Для устройства обратного фильтра выполняют отсыпку водопроницаемых пород слоями в порядке постепенного возрастания размера частиц от мелких к крупным в направлении фильтрационного потока. 3) Искусственное улучшение свойств пород путём силикатизации и цементации. 13.3 Карст Карст - это процесс растворения водой некоторых горных пород, в первую очередь карбонатных, в результате которого образуются полости различных форм и размеров. Карст широко распространён на всех материках земного шара. Развитие карста служит серьёзным препятствием при строительстве сооружений, и за ошибки при проектировании в районе карста приходится дорого расплачиваться. Карст коварен внезапными деформациями и провалами. Он причиняет огромный ущерб, заставляет на ряде объектов снижать скорость движения. Чаще карст проявляется в виде воронок с понорами, но иногда встречаются и пещеры. По возрасту карст подразделяется на: 1) современный или активный; 2) древний или пассивный. Современный карст - процесс, происходящий в наше время, и карстовые формы в этом случае, так или иначе, связаны с поверхностью. Древний карст - мог происходить в далёкие геологические времена: в мезозое, палеозое, докембрии. Древний карст (или палеокарст) проявляется в виде древних пустот, не связанных с современным карстом. Нередко древний карст заполнен продуктами разрушения различных пород. По степени активности карст различается на: 1) деятельный и 2) неразвивающийся. Карст может возникать и развиваться только при сочетании определённых природных условий: 1) наличия породы, относительно легко растворимой в воде; 2) водопроницаемости (трещиноватости) этой породы; 3) движущегося потока воды в породе; 4) растворяющей способности воды. Формы карстовых полостей весьма разнообразны. Рис.13.1-Схематическое изображение основных форм карста: 1 –карры; 2 – понор; 3 –воронка; 4 – полость; 5 - пещера Наиболее распространёнными формами карста являются карры. Карры - мелкие желоба, борозды и канавы на склонах, сложенных карстующимися породами. Там, где растворимые горные породы лишены покрова рыхлых образований, поверхность их покрыта густо расположенными мелкими желобками глубиной от нескольких сантиметров до 1-2 и более м. Они образуются при выпадении атмосферных осадков непосредственно на карстующиеся породы, не имеющие покрова из глинистых грунтов. Типичные карровые борозды наиболее широко развиты в чистых известняках. Карстовые воронки - эти формы карста характерны для умеренных широт. Карстовые воронки часто имеют округлую или овальную, реже неправильную форму в плане; диаметр их колеблется от 1 до 50 м, редко до 100 м, а глубина достигает 15-20 м. На поверхности земли и на дне многих карстовых воронок наблюдаются трещины, поглощающие стекающие в воронку воды атмосферных осадков. Такие поглощающие отверстия называются понорами. Блюдцевые впадины - эти формы отличаются от карстовых воронок значительно меньшей глубиной, которая иногда в десятки раз меньше их поперечника. Эти формы характеризуются полого-вогнутым или совершенно плоским дном, очень пологими склонами. Карстовые колодцы. Это карстовые вертикальные каналы цилиндрической формы. Диаметр таких колодцев достигает иногда многих десятков метров. Глубина их до 20-30 м. Стены колодцев обычно отвесны, дно их нередко загромаждено глыбами пород, которые представляют собой обломки обрушившегося свода. Колодцы обычно провального происхождения. Пещеры - это самые крупные подземные карстовые формы. Пещеры представляют собой систему каналов горизонтальных или близких к горизонтальным, то неправильно ветвящихся, соединенных узкими ходами, то неожиданно расходящихся и образующих огромные залы или гроты, то переходящих в узкие едва проходимые щели. Пещеры соединяются с поверхностью одним или несколькими отверстиями. Карстовые шахты - это цилиндрические трубообразные впадины, вытянутые в вертикальном направлении с очень небольшим диаметром поперечного сечения. Диаметр их колеблется от одного до нескольких метров. Глубина их достигает нескольких десятков и сотен метров. Полья. Они представляют собой обширные поверхностно бессточные (замкнутые) котловины. 14 ПРОЦЕССЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ДЕЙСТВИЕМ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР 14.1 Многолетняя мерзлота Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине в течение тысячелетий сохраняется отрицательная температура. Это явление называют вечной мерзлотой, устойчивой мерзлотой или многолетней мерзлотой. Многолетнемерзлые породы имеют широкое развитие, и площадь их распространения составляет около 25% всей суши земного шара. Мощность вечно мерзлых пород колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Участки вечной мерзлоты могут быть сложны как скальными, так и нескальными породами. Охлаждённые до постоянно отрицательных температур скальные пароды практически мало изменяют свои свойства. Если в них встречается лёд, то он обычно образует линзы и жилы, заполняя трещины и пустоты. Крупнообломочные и песчаные породы, залегающие в зоне вечной мерзлоты, но не содержащие лёд, также не изменяют свои свойства при замерзании и оттаивании. Водонасыщенные пески, супеси, суглинки, глины, илы при переходе в мёрзлое состояние приобретают характер скальных пород. Лёд в этом случае при промерзании пород существенно изменяет их физическое состояние, прочность, водопроницаемость, деформируемость и другие свойства. Лёд имеет свойство прочного цемента. При повышении температуры окружающей среды породы оттаивают, изменяются их физическое состояние, прочность и устойчивость. При оттаивании мёрзлых пород сооружения, постепенные на них, испытывают неравномерные осадки, происходит их деформация и иногда даже разрушение. Лёд в мёрзлых горных породах распределён неравномерно. В связи с неравномерным распределением льда при изучении мёрзлых обломочных и глинистых пород следует учитывать характер льда-цемента. Виды льда в мерзлых горных породах: 1. Контактный лёд цемента, проявляющийся только в местах контакта частиц грунта. 2. Пленочный лёд-цемент. Он проявляется, обволакивая поверхность частиц, оставляя части пор незаполненными. 3. Поровый лёд-цемент. Заполняет целиком поры в песчаных и грубообломочных породах, полностью водонасыщенных. 4. Базальный лёд-цемент. Составляет основную массу породы и разобщает частицы грунта. По взаимоотношению мёрзлой толщи со слоем сезонного промерзания ( с деятельным слоем ) выделяются: 1) Сливающаяся мёрзлая толща, где деятельный слой является кровлей многолетнемерзлых пород; 2) Несливающаяся мёрзлая толща. В этом случае между деятельным слоем грунтов и многолетнемерзлыми грунтами залегает слой талого грунта. Рис.14.1-Схема сезонной и постоянной мерзлоты: а) разрез слоев при сливающейся мерзлоте; б) разрез слоев при несливающейся мерзлоты; 1 –слой, оттаивающий летом (деятельный слой); 2- попеременно талый или мерзлый слой; 3 – слой многолетней мерзлоты; 4 –постоянно талый слой; 5 – талый слой в толще мерзлоты Строительство сооружений на вечной мерзлоте ведётся по-разному, в зависимости от целого ряда факторов (климата, геологии, гидрогеологии, а также горных пород строительной площадки), особенностей конструкции сооружения. 14.2 Морозное пучение грунтов Морозное пучение- это процесс увеличения объёма грунта вследствие его промерзания. Суть процесса заключается в следующем. В зимней период земля с поверхности промерзает на некоторую глубину, а весной оттаивает. Этот сезоннопромерзающий слой называется деятельным слоем. С этим слоем и связано морозное пучение грунтов. Сезонное промерзание грунтов колеблется от нескольких десятков сантиметров и до 3-4 м. Глубина сезонного промерзания грунтов зависит от: • продолжительности зимнего периода; • среднегодовой температуры воздуха; • мощности снежного покрова; • состава и степени влажности грунтов; • рельефа местности и экспозиции склона; • характера растительного покрова; • хозяйственного освоения территории. Влияние снежного покрова на глубину сезонного промерзания многообразно. Белый снежный покров усиливает отражение солнечной энергии и приводит к сокращению поглощаемого солнечной энергии и понижению среднегодовых температур в почвенном горизонте. Влияние состава и влажности грунтов на глубину промерзания проявляется в том, что грубозернистые грунты, например, пески, промерзают на большую глубину нежели тонкодисперсные грунты, такие как суглинки или глины. На глубину промерзания влияет и рельеф местности. На плоских водоразделах вследствие маломощного снежного покрова, сдуваемого ветрами, и скудной растительности, грунты промерзают на большую глубину. Значение технологических факторов на глубину промерзания грунта многогранно. Например, вспашка почвы приводит к увеличению поглощения солнечной энергии и, следовательно, к уменьшению глубины промерзания. Утаптывание или счищение снега увеличивает глубину сезонного промерзания грунтов. Иногда сезонное промерзание грунтов проявляется в неравномерном поднятие грунта. Поднятия обычно имеют локальный характер и представляют собой бугры диаметром до 3-5м, реже до 20-50м и высотой до 3-15см и даже до 30-50см и более. Пучение промерзающих грунтов оказывает отрицательное воздействие на различные сооружения, но наибольшие осложнения приносит земляному полотну автомобильных и железнодорожных дорог, а также аэродромным покрытиям. Морозное пучение грунтов нередко приводит к выпучиванию из под деятельного слоя на поверхность крупных твёрдых тел, находящихся в слое сезонного промерзания. Весной с оттаиванием грунтов деятельного слоя на железных дорогах иногда проявляются пучинные просадки, возникающие в основном под воздействием поездной нагрузки. Обычно они возникают на участках с высотой пучения более 50мм. При этом нарушается не только продольный и поперечный профили, но и направление пути, а также появляются перекосы. Морозное пучение грунтов вызывает многими факторами: 1)природными; 2)конструктивными; 3)эксплуатационными. 14.3 Наледи Наледи – сложное природное явление. Они часто создают существенные затруднения в деятельности человека, поэтому предупреждение и преодоление их – весьма актуальная задача. Наледи представляют непосредственную угрозу и в работе железнодорожного транспорта. Так, например, образование наледей на стрелочных переводах может препятствовать приёму и отправлению поездов из-за примерзания остряков к рамным рельсам. Наледи оказывают воздействие почти на все элементы верхнего строения пути. Образование льда между подкладками, пучинными карточками и шпалами приводит к неравномерному поднятию рельсов. Определить местоположение возможных очагов наледных явлений, их интенсивность, выработать мероприятия по предотвращению или урегулированию развития наледей – очень важная задача. Чтобы успешно вести борьбу с наледями, следует хорошо знать признаки, особенности наледей и способы борьбы с ними. В зависимости от происхождения выделяют следующие типы наледей: речные; ключевые; грунтовые; наледи от таяния снега в зимний период. По длительности своего существования наледи делятся на сезонные и многолетние. Сезонные наледи развиваются в течение зимы, а весной с наступлением устойчивых положительных температур оттаивают. Многолетние наледи встречаются только на Крайнем Севере и в высокогорных районах. Такие наледи полностью не оттаивают за лето и остаются частично до следующей зимы. С наступлением морозов река покрывается льдом, толщина которого постепенно увеличивается, а живое сечение русла уменьшается. Создаётся напор и вода устремляется из русла на поверхность льда, образуя наледь. Речные наледи бывают самых различных размеров. Некоторые речные наледи занимают огромные пространства, измеряемые десятками км2, и достигают мощности 5-7 м. большинство речных наледей проявляется по отмелям и перекатам. В этих местах поток охлаждается быстрее, и ледяной поток уменьшает живое сечение реки. В результате происходит быстрый рост наледей на этих участках. Ключевые наледи обычно образуются около сосредоточенного выхода подземных вод на поверхность земли. Выход их чаще может быть обусловлено движением подземных вод по тектоническим зонам. Грунтовые наледи образуются водами первых от поверхности водоносных горизонтов, сложенных толщами рыхлых четвертичных отложений. Развитие их обусловлено полным местным промерзанием водоносных путей или большим промерзанием, чем на сопредельных участках, а также наличием водоупора в виде плотных коренных пород. В области вечной мерзлоты водоупором обычно служат вечномерзлые грунты. Поземные наледи представляют собой подземные ледяные линзы и подразделяются на гидролакколиты (или булгунняхи) и торфяные бугры пучения. Факторы, определяющие образование наледей, можно разделить на природные и техногенные, вызываемые деятельностью человека. 14.4 Солифлюкция Солифлюкция – это течение переувлажненного грунта деятельного слоя. Солифлюкция имеет наибольшее распространение в области развития вечномерзлых пород. Основная причина солифлюкционных подвижек – переувлажнение рыхлых пород, что приводит их в текучую консистенцию. Рис.14.2-Течение грунтов – Солифлюкция: 1 –покровный слой; 2- сплыв; 3 – солифлюкционные террасы; 4 –почвы; 5 – подстилающий слой; 6 – граница сезонного оттаивания. Этому способствует залегающий на небольшой глубине водоупор из многолетнемерзлых пород. Солифлюкция развивается только в протаивающих и промерзающих грунтах. Поскольку солифлюкция развивается в сезонном слое, проявление ее зависит от интенсивности протаивания – промерзания отложений, от температурного режима протаивающих и промерзающих грунтов. На интенсивность протаивания – промерзания отложений влияет и температура вечномерзлых грунтов. Более низкая температура вечномерзлых грунтов приводит, при прочих равных условиях, к интенсивному промерзанию снизу. Отсюда при более низких температурах мерзлых грунтов время развития солифлюкции и мощность подвижного состава отложений сокращается. Движение грунтов не происходит до тех пор, пока не начнется нарушение структурных связей, скрепляющих глинистые частицы и их микроагрегаты в рыхлых отложениях. Следовательно, основное значение протаивания – промерзания заключается не только в образовании дополнительного источника увлажнения, но и в снижении прочности грунтов в результате разрушения структурных связей. В процессе протаивания грунтов структурные связи полностью нарушаются, а увлажнение грунтов приводит к их распаду на отдельные микроагрегаты и частицы. Вязко – пластическое течение рыхлых отложений склонов формирует солифлюкционный рельеф. Нередко солифлюкция вызывает образование сложных ступенчатых склонов нагорных террас. Движение грунтов наиболее быстро совершается у поверхности и прекращается обычно на глубине 50 – 60 см. В тех случаях, когда медленное пластично – вязкое течение переходит в жидкое, скорость перемещения грунтов возрастает и солифлюкция переходит в грязевые потоки и оплывины. Солифлюкционный процесс играет большую роль не только не только в формировании рельефа и вообще в развитии склонов, но создает определенные трудности при строительстве и эксплуатации сооружений. Наиболее значительные деформации под воздействием солифлюкции испытывают такие магистральные инженерные сооружения, как опоры линий связи и электропередач, стойки канализационных сетей, дорожные насыпи и выемки, а также фундаменты зданий. Очень чувствительны к движению отложений опоры линий связи. Опоры, заглубленные в многолетнемерзлые породы на достаточную глубину, не деформируются под воздействием движущихся отложений. При увеличении же глубины протаивания, в результате нарушения почвенно – растительного слоя, прочность закрепления опор в многолетнемерзлых породах уменьшается. В ряде случаев влияние солифлюкции испытывают насыпи и выемки на склонах, т.к. под ними или в непосредственной близости от них глубина протаивания увеличивается. Насыпь создает дополнительную нагрузку на подвижные отложения склона, что увеличивает касательные напряжения сдвига. Только за счет увеличения касательного напряжения сдвига и мощности движущегося слоя скорость движения может увеличиваться в десятки и сотни раз. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1.Д.И.Шульгин, В.Г.Гладков, А.Н.Никулин «Инженерная геология для строителей железных дорог».- М.: Желдориздат,2002.- 514с. 2.Б.И.Далматов «Механика грунтов, основания и фундаменты» - Л.: Стройиздат, 1988.- 415с.