Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Откосный дренаж используется в том случае, если небольшой по объему выход подземных вод наблюдается практически по всей поверхности склона. Схема откосного дренажа показана на рис. 3.23. На склоне прокладывают неглубокие канавки и заполняют их фильтровальным матери- алом (гравием). Расстояние между канавками должно обеспечить их взаимо- действие и снижение уровня воды за их пределами. Таким образом, сбра- сывание воды происходит лишь по канавкам и целостность склона не нару- шается. В земляных плотинах устраивают так называемые обратные фильтры. Опасность суффозии в песчаных основаниях бетонных плотин возникает из-за разности напоров воды в верхней и нижней частях плотины, что вызывает значительный гидравлический градиент. Для предотвращения суффозии градиент снижают, удлиняя путь фильтрации устройством понуров и шпунто- вых стен (рис. 3.24). Суффозия в строительных котлованах возникает при открытом водоот- воде. В результате выноса минеральных частиц из грунта основание ослабля- ется. Это может стать причиной развития значительных осадок фундаментов. Кроме того, происходит обрушение стенок котлованов (рис. 3.25). По этой причине сооружение открытого водоотвода допускается лишь при незначительном поступлении воды в котлован. В других же случаях рытье котлованов и закладывание фундаментов сопровождают процессом водопо- нижения, например при помощи иглофильтровых установок. В буровых сква- жинах для защиты водоприемников от заиливания вследствие суффозии ис- пользуют фильтры. 1 2 4 0,5-0,6 м а z z z z z І І І-І 3 4 2 б Рис. 3.23. Схема откосного дренажа: а – разрез; б – план; 1 – уровень грунтовой воды; 2 – водослив; 3 – пони- женный уровень воды; 4 – гравий 74 Следует рассмотреть также особый вид суффозии – подземную,когда происходит перенос мельчайших и мелких частиц грунтов с одного пласта в другой или с одной части пласта в другую. Это вызывает изменение зерно-вого состава грунтов и их водопроницаемости. 3.14. Карст Ф.П. Саваренский под карстом понимал последствия процессов, связан- ных с деятельностью подвижных подземных вод, что проявляется в растворе- нии скальных грунтов и образовании в них пустот. Слово «карст» происходит от названия известнякового плато на побережье Адриатического моря. Карст возникает в толщах известняков, доломитов, гипсов, ангидритов, каменной и калийной солей. В основе карстовых процессов лежит химическая суффозия, то есть вынос вещества в растворах. Химическая суффозия иногда дополняется механической. Следует учитывать, что растворимость указанных выше мине- ралов неодинакова. Самую большую растворимость имеют каменная и калий- ная соли, самую низкую – известняки и доломиты. Например, растворимость известняков (в частности кальцит СаСО 3 ) при температуре 17 °С составляет 11 мг/л. С увеличением содержания в воде свободного углекислого газа (СО 2 ) растворимость известняка повышается. Когда содержание СО 2 в воде равно 6 мг/л, растворимость увеличивается до 148 мг/г, а при 199,5 мг/л – до 455 мг/л. Аналогичная картина наблюдается относительно других карбонатов (например, доломита). Вместе с тем, растворимость карбонатов значительно по- вышается при наличии в воде ионов 3 HCO , Cl и 2 4 SO . Несмотря на неболь- шую растворимость карбонатов в природе преобладает карбонатный карст. В то же время карст в гипсовых и соляных отложениях встречается сравнительно редко, что обусловлено особенностями их залегания (среди глин) и отсутствием трещиноватости. В табл. 3.3 приведена классификация карста А.Е. Голова. 1 4 3 2 Рис. 3.24. Водосливная бетонная дамба на песчаном основании: 1 – верхний уровень воды; 2 – нижний уро- вень воды; 3 – понур; 4 – шпунтовая стенка Рис. 3.25. Суффозия при открытом водоотливе: 1 – уровень грунтовой воды; 2 – ниша; 3 – зона ослабления основания 1 2 3 75 Таблица 3.3 Классификация карста А.Е. Голова Группа карста Тип карста Подтип карста І (в труднорастворимых породах) 1. Карбонатный 2. Сульфатный (гипсовый) 3. Сульфатно-карбонатный а) известняковый б) доломитовый в) меловый г) в обломочных породах с карбонатным цементом — — II (в легкорастворимых породах) 4. Соляной — Наиболее типичным является карбонатный карст. Его образование проис- ходит вследствие поступления дождевых, талых и поверхностных текучих вод в толщу растворимых грунтов сквозь сетку трещин. Во время их движения в трещинах возникают пустоты – колодцы, галереи, туннели и пещеры (рис. 3.26). Встретив водоупор, подвижные воды накапливаются, образуя карстовые воды. Ниже от уровня карстовых вод, уже насыщенных раст- воренным веществом, растворение не происходит. Таким образом, уровень карстовых вод является базисом карсто- образования. В зависимости от положения толщи с пустотами различают открытый карст (толща находится возле поверхности) и скрытый (толща перекрыта нераствори- мыми грунтами). Все карстовые пустоты начинаются возле поверхности, там, где вода поступает в толщу. Здесь на поверхности образуют- ся воронки и борозды (карры), которые формируют своеобразный карстовый рель- еф. На основе опытных данных З.О. Макеев предложил подразделять толщи по их стойкости относительно карстообразования, в зависимости от скорости формирования воронок, на 5 видов. Так к очень нестойким толщам были отнесены те, в которых за год возникают 5 – 10 воронок на 1 км 2 , а к толщам очень стойким – такие, где новые воронки не возникали на протяжении 50 лет. Чаще всего карст приводит к возникновению неблагоприятных для стро- ительства условий. В особенности это касается гидротехнического стро- ительства. Известны случаи, когда водохранилища не смогли заполнить из-за истечения воды в карстовые пустоты. Если карст размещен между пластами глин или суглинков, воды могут заполнять его пустоты. Тогда трудности при Рис. 3.26. Карстовые пустоты в известняках: 1 – известняк; 2 – воронка; 3 – уровень карстовых вод 1 2 3 76 возведении зданий и сооружений не возникают, как и в случаях, когда пустоты образованы в труднорастворимых грунтах (І группа карста), а значит, толщи мощные, поэтому скрытых (необваленных) воронок и пустот на небольшой глубине нет. В других обстоятельствах строительство затрудняется. Борьба с карстом состоит, с одной стороны, в прекращении доступа по- верхностных и подземных вод к толще, на которой возводятся здания и соору- жения, а с другой – в повышении прочности (стойкости) грунтов и снижении их водопроницаемости. Последнее является очень важным потому, что со сниже- нием водопроницаемости уменьшается поступление в толщу свежей воды, а интенсивность растворения грунтов снижается. Для прекращения доступа по- верхностных вод осуществляют регулирование стока с отводом его в нужном направлении. Чтобы повысить прочность толщи и снизить водопроницаемость грунта при помощи разных методов улучшают свойства трещиноватых раство- римых водой скальных пород. Среди таких методов – цементация, глинизация и битумизация. 3.15. Оползни Оползнями называют смещение масс грунтов на склонах под влиянием силы тяжести. Схема оползня изображена на рис. 3.27. Поверхность, по которой произошел отрыв и смещение массы грунтов, называется поверхностью скольжения, а место ее выхода на поверхность склона или на поверхность возле ее подножия – подошвой оползня. Подошва оползня не всегда совпадает с подножием склона. В отдельных случаях поверхность скольжения не зани- мает четко выраженное положение. Это бывает в том случае, когда смещение массы грунтов связано с деформациями ползучести в глинистых грунтах. Сместившаяся масса грунтов формирует тело оползня. В верхней части склона возникает оползневый цирк. Оползни возникают на берегах морей и озер, на склонах речных долин, балок, оврагов, на откосах насыпей и выемок. Таким образом, оползни могут возникать всюду. Но отдельные районы известны как оползневые, например, черноморское побережье возле г. Одессы, Крыма, Кавказа, правобережье реки Днепр, берега реки Волги в среднем течении и др. Оползни причиняют значительные убытки экономике: затрудняют строи- тельство, выводят из строя ценные земли. Возведенные на склонах строения и сооружения под воздействием оползней повреждаются, а иногда могут совсем разрушаться. Непосредственных причин оползней много, но основных две: 1) изменение напряженного состояния в толще грунтов, из которых состоит склон; 2) изменение свойств грунтов на склоне. Изменение напряженного состояния может происходить в результате увеличения нагрузок на склон во время застройки, возведение разного рода насыпей. К напряженному состоянию может привести увеличение веса грунтов 77 от увлажнения, а также нарушение целости склона при его подмыве поверх- ностными текучими водами, волнами прибоя, а также при подрезании выем- ками для строений и сооружений, в частности для дорог. Кроме того, целост- ность склона может быть нарушена суффозией. Почему в рассматриваемых случаях происходит изменение напряженного состояния? Для выяснения этого вопроса условно вырежем в толщи склона элементарную призму грунта (рис. 3.28). Сжатие этой призмы происходит в условиях невозможности бокового расширения. Вдоль граней призмы дейст- вуют главные напряжения σ 1 и σ 2. Большее из них σ 1 , действующее на гори- зонтальную площадку, равно давлению от собственного веса грунта. Меньшее главное напряжение σ 2 , которое действует на вертикальную площадку, соответствует боковому давлению грунта. Разрушение такой призмы может происходить лишь при определенном соотношении между главными напря- жениями. Такое соотношение наступает или в результате увеличения главного напряжения σ 1 (увеличение нагрузки на склон), или при уменьшении главного напряжения σ 2 (уменьшение бокового давления вследствие подмыва или подрезания склона). В условиях большой крутизны склона возле его подошвы (в плоскости 1-1) возникает перепад давления, который может привести к вы- давливанию в этом месте грунта. Изменение свойств грунтов, которые залегают на склоне, происходит во время выветривания, увлажнения их поверхностными и подземными водами, под влиянием ударных и вибрационных нагрузок (например, при забивании свай). Чаще всего нарушение стойкости склонов может быть следствием зама- чивания глинистых грунтов водой, из-за чего снижается их сопротивление сдвигу. Следует вспомнить также такую причину оползней, как землетрясение. В этом случае стойкость склона может нарушиться под непосредственным воз- действием на толщу инерционных сил. Рис. 3.28. Схема напряженного состояния на склоне І І b a I-I σ 1 σ 1 σ 2 σ 2 с 1 3 2 4 Рис. 3.27. Схема оползня: 1 – оползневой цирк; 2 – подошва оползня; 3 – поверхность скольжения; 4 – тело оползня 78 Разнообразие причин, которые вызывают оползни, затрудняет их класси- фикацию. Предложено несколько классификаций оползней по разным призна- кам. Остановимся на двух наиболее общих. Например, А.П. Павлов в 1903 г. разделил оползни по характеру развития поверхности скольжения на деляп- сивные и детрузивные (рис. 3.29). В деляпсивных оползнях разру- шения начинаются в нижней час- ти склона (например, при подмы- ве или подрезании), а поверх- ность скольжения формируется снизу вверх. В это время верхние части склона словно теряют опо- ру. Детрузивние оползни харак- терны началом разрушения в верхней части склона (например, при увеличении на него нагруз- ки), а значит, поверхность сколь- жения развивается сверху вниз. В зависимости от направления формирования поверхности скольжения нагрузка на нижние части склона увеличивается, что, в итоге, приводит к выдавливанию грунта из-под подножия склона. В 1934 г. Ф.П. Саваренский предложил классифицировать оползни в зависимости от структуры склона и положения поверхности скольжения. Он разделил их на асеквентные, консеквентные и инсеквентные (рис. 3.30). Асеквентные оползни образуются на склонах однородного строения. Они имеют криволинейную поверхность скольжения, которая приближается к цилиндрической. Положение поверхности скольжения в таких оползнях опре- деляется особенностями напряженного состояния склонов и величиной сопро- тивления грунтов сдвигу. Консеквентные оползни характеризуются поверх- ностью скольжения, положение, очертание которой предопределяется осо- бенностями строения склона. Инсеквентные оползни возникают на склонах, где залегают пласты разных грунтов. Поверхность скольжения таких оползней Рис. 3.29. Классификация оползней по А. П. Павлову: а – деляпсивный; б – детрузивный; 1 – подошва оползня; 2 – склон до оползня; 3 – склон после оползня; 4 – направление образования поверх- ности скольжения а б 1 2 3 4 1 2 3 4 а 1 2 3 б 1 2 3 в 1 2 3 Рис. 3.30. Схемы оползней Ф.П. Саваренского: а – асеквентный; б – консеквентный; в – инсеквентный; 1 – глина; 2 – склон до оползня; 3 – склон после оползня 79 перерезает эти пласты. Борьба с оползнями требует больших затрат сил и применения разных технических средств. Поэтому защитные мероприятия следует проводить после тщательного и разностороннего изучения оползней и определения их вида. Борьба с оползнями может быть пассивной и активной. Пассивные методы предусматривают проведение таких профилактических мероприятий, как зап- рет на подрезку склонов и их застройку, ограничение скорости движения транс- порта на склонах и т. п. В активной борьбе с оползнямииспользуют разные инженерные сооружения. Мероприятия по борьбе с оползнями должны прово- диться с учетом причин, по которым возникают эти явления. Некоторые проблемы оползневых территорий рассмотрим на примере. Большая часть застройки г. Полтавы расположена в пределах юго-восточной части Полтавского лессового плато, которое образовалось на возвышенных в современном рельефе к отметкам 140 – 150 м структурно-тектонических бло- ках. В период отступления Валдайского ледника за счет снижения базиса эрозии долина р. Ворсклы врезалась в отложения харьковской свиты. На скло- нах долины начали интенсивно развиваться оползневые процессы. Оползни формировались на правобережных склонах долины и в бортах многочислен- ных оврагов. Особенности геологического строения плато таковы: - у поверхности земли залегают четвертичные лессы и лессовидные суглинки с прослойками похороненного грунта мощностью до 15 м. В нижней части этих отложений находятся грунтовые воды, на склоне они выходят на поверхность по подошве пласта в виде отдельных источников, причем к центру города их мощность достигает 13 м, а зеркало грунтовых вод имеет форму купола; - под лессами и лессовидными отложениями залегают четвертичные красно-бурые глины твердой и полутвердой консистенции мощностью 10 – 12 м; эти глины являются водоупором для грунтовых вод; им присуща спо- собность к набуханию, при увлажнении их можно оценивать как средненабу- хающие и даже сильнонабухающие, давление набухания глин p sw 0,04 МПа; - ниже красно-бурых глин находятся отложения пестроцветных (от серого к зеленоватому цвету) глин неогена мощностью до 25 м. Их способ- ность к набуханию оценивается как слабая, иногда – средняя, давление набуха- ния этих глин p sw 0,015 МПа; - под подошвой пестроцветных глин залегают мелкозернистые кварцевые пески полтавской свиты, которые постепенно переходят в пески верхнего палеогена, средняя мощность песчаных отложений – 25 м. В этом месте находится горизонт межпластовых вод, которые дренируются бортами балок; водоупором межпластовых вод служат отложения темно-серых глин берекской свиты мощностью 1,5 м. В наше время на склонах лессового плато развиваются оползневые процессы. Общая схема формирования оползней на склонах г. Полтава изображена на рис. 3.31. Всю зону склона можно поделить на три характерных участка. Участок І охватывает верхнюю часть склона – ту, которая 80 содержит лессы и лессовидные суглинки. Крутизна склона здесь дости- гает 55°. Оползни на этом участке воз- никают время от времени по причине дополнительного увлажнения грунтов за счет атмосферных и техногенных факторов, вследствие подрезания и пригрузки склона. Остатки предыдущих оползней, перемещенные под действием собственного веса, залегают ниже по склону и обозначены как делювий (рис. 3.31, а). Иначе говоря, за счет обрушения верхней части склона, сос- тоящей из лессовых пород, на поверх- ности глин образуются слои современ- ных наносных грунтов мощностью от 0,5 до 5 м. Примечательным является тот факт, что мощность этих отложений изменяется поперек склона волнообраз- но. Природа этого явления, обусловлена с одной стороны, воздействием масс грунта, которые передвигаются на от- дельных участках, а с другой – процес- сами его набухания при интенсивном увлажнении. Интенсивное увлажнение глин возможно в первую очередь в мульдах этих волн, поскольку в них идет накопление грунтовых вод (рис. 3.31, б). Вследствие увлажнения масс грунта в зоне склона на отдельных его участках (особенно там, где идет их интенсивное увлажнение) развиваются локальные оползни с поверхностью скольжения по четвертичным и неогеновым глинам. Массы грунта переме- щаются вниз по склону к выходу песков на поверхность. На этом участке в зоне ІІІ движение масс грунта задерживается за счет его дренирования песком (рис. 3.31, в). Со временем в процессе дренирования возникает явление кольматации песков под телом оползня. Под ним в песке образуется псевдоводоупор, что способствует дальнейшему насыщению грунта тела оползня поверхностными и подземными водами. Движение масс грунта восстанавливается, но вследствие большой крутизны этого участка склона, возможно даже их обрушение (рис. 3.31, г). Рис. 3.31. Схемы развития оползневого процесса Полтавы делювий а ІІ ІІІ І поверхность скольжения тело оползня б поверхность скольжения тело оползня зона дренирования в кольматация песков тело оползня зона дренирования г 81 Особое внимание необходимо обратить на эксплуатацию зданий и соору- жений на оползнеопасных склонах. Примером недальновидных действий на подобных территориях может послужить причина развития оползня на восточ- ном склоне Полтавского плато в с. Червоный Шлях. На рис. 3.32, а показан план участка, где обозначены границы оползня, водопровод и овраг, через который идет разгрузка грунтовых вод с плато. На рис. 3.23, б представлен разрез оползня, на котором видно, что водоупор имеет наклон от склона в сторону оврага. Раньше уровень грунтовых вод был ниже и они не пере- ливались на склон. Со временем в процессе застройки территории началось засыпание оврага грунтом. Сейчас он на 2/3 засыпан и превращен в огород. Дренирование грунтовых вод на этом участке плато уменьшилось, уровень их начал подниматься, положение усугубляли потери воды из водопровода. Наступил момент, когда грунтовые воды вышли на склон. Это и стало при- чиной формирования оползня. Исправить ситуацию удалось путем сооружения дренажа по дну засыпанного оврага. Таким образом, прогнозируя оползневые процессы, необходимо полу- чить детальные данные об особенностях геоморфологического и геологичес- кого строения склона, напластования грунтов, оценить физико-механические характеристики грунта и определить положение поверхности его скольжения по склону с точки зрения классификационных особенностей оползня. Дополни- тельно необходимо предусмотреть изменения режима подземных вод, а также учесть возможные техногенные вмешательства. |