учебное пособие. Основы инженерной геологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
4.2. Эндогенные процессы Эндогенные геологические процессы. Эндогенные процессы обу- словлены внутренней энергией Земли и происходят внутри планеты. Среди них выделяются тектонические, магматические, метаморфические, геотермические и некоторые другие. С тектоническими процессами, ко- торые выражаются в колебательных вертикальных и горизонтальных движениях земной коры, связаны сейсмические явления и землетрясения. Они вызывают на поверхности Земли трещины, разрывы, дислокации, раздробление горных пород, а также кратковременные разной интенсив- ности вибрационно-динамические нагрузки на строительные объекты. Происходят длительные медленные поднятия или опускания участков суши. Сейсмические явления имеют катастрофический характер, охваты- вают площади в сотни тысяч квадратных километров, а амплитуды коле- баний физической поверхности достигают 20 м. Эндогенные геологические процессы относятся к неуправляемым со стороны человека. Поэтому отношение к ним основано на изучении их распространения, прогнозировании, количественных оценках. Составля- ются карты сейсмического районирования разных масштабов, вулкани- ческой деятельности; ведутся стационарные наблюдения за действую- щими вулканами. Составляются схемы тепловых потоков Земли, которые имеют значение для оценки горно-геологических явлений и хозяйствен- ного освоения глубинного тепла. Строительные объекты и технологиче- ские схемы приспосабливаются к воздействию эндогенных процессов (пример: антисейсмические здания и т.д.). Эндогенные инженерно-геологические процессы. Деятельностью человека могут быть вызваны эндогенные инженерно-геологические процессы. К ним относятся: 49 1. Сейсмические явления, вызванные взрывами при создании выемок, плотин, подземных коммуникаций. Особое место среди них по масшта- бам и последствиям занимают ядерные взрывы на специальных испыта- тельных полигонах. 2. Землетрясения, деформации горных пород, обрушения и другие в свя- зи с созданием водохранилищ, длительными откачками подземных вод, до- бычей полезных ископаемых, изменением гидрогеологического режима участков в ходе строительства, крупномасштабными земляными работами. 4.3. Экзогенные процессы 4.3.1. Выветривание Общая классификация экзогенных геологических процессов пред- ставленаа в табл. 4.3.1.1. Т а б л и ц а 4.3.1.1 Общая классификация экзогенных геологических процессов Класс Подкласс Тип Связанные с действием климатических и биоло- гических факторов Выветривание Физическое, химическое, биологическое Связанные с действием силы тяжести Движение без потери контакта со склоном Оползни, лавины Движение с потерей контакта со склоном Обвалы, осыпи Связанные с действием поверхностных вод Воздействие морей, озер и водохра- нилищ Вдоль береговой линии абразия; перенос наносов Воздействие водотоков Склоновый смыв, эрозия, сели Связанные с действием подземных вод Выщелачивание (химическое) Карст Механический вынос, понижение уровня грунтовых вод, подъем уров- ня грунтовых вод Суффозия, оседание по- верхности Ослабление связей между частицами грунта Заболачивание, просадка Связанные с действием ветра – Дефляция, корразия Связанные с промерза- нием и оттаиванием горных пород Промерзание Пучение, растрескивание, наледи Колебание температуры с переходом через 0°С Курумы Оттаивание Термокарст, термоэрозия, термоабразия, солифлюк- ция 50 Выветривание – совокупность физических, физико-химических и биохимических процессов разрушения горных пород верхней части зем- ной коры под влиянием климата, подземных и поверхностных вод, дея- тельности организмов и техногенных факторов. Выветривание – один из масштабных природных геологических процессов, оказывающих огром- ное влияние на инженерную и хозяйственную деятельность человека. Оно изменяет состав, сложение, состояние и свойства горных пород, снижает их прочность, увеличивает деформируемость, размываемость, меняются фильтрационные свойства. Выветривание вызывает ряд новых геодинамических процессов и явлений – эрозию, оползни, обвалы, сели, карсты и другие; оно влияет на устойчивость откосов, бортов карьеров, оснований фундаментов. Выветривание начинается с разгрузки напряжений в массивах горных пород в результате расчленения их природными процессами – эрозионны- ми, карстовыми и другими или под влиянием заложения выемок, подзем- ных коммуникаций, взрывных работ. Разгрузка напряжений сопровожда- ется микродеформациями. Происходит разуплотнение горных пород. Выделяются следующие виды выветривания: физическое, химическое и биологическое. Физическое выветривание выражается в механическом разрушении горных пород без существенного изменения их минерального состава. Главный фактор выветривания – колебания температур. С участием воды процесс получил название морозное выветривание. Физическое выветри- вание горных пород преобладает в районах с резко континентальным климатом. Химическое выветривание сопровождается изменением химического состава горных пород. Главные факторы выветривания – вода, кислород, углекислота и органические кислоты. Процесс активно протекает в райо- нах с теплым и влажным климатом. Биологическое (органическое) выветривание связано с разрушитель- ным воздействием на горные породы живых организмов и растений. Ре- зультатом конечного биологического (органического) выветривания яв- ляются почвы. Данный вид выветривания проявляется повсеместно на земной поверхности, покрытой растительностью. В результате выветривания образуются коры выветривания. Среди них выделяются геологические типы на основе тектонического положе- ния (платформенные, геосинклинальные и др.) и по времени образования (палеозойские, мезозойские, современные и др.), а также по преоблада- ющему минеральному составу (латеритная, карбонатная и другие). В разрезе коры выветривания выделяются сверху вниз три зоны: 51 1. Дисперсная. Имеет состав: вторичные минералы, глинистые про- дукты. Они легко размываются и оползают. 2. Обломочная. Имеет сложное строение. В ее составе – продукты физической дезинтеграции и частичного химического разложения горных пород. В ней активно развиваются процессы эрозии, осыпания и др. 3. Трещинная. Строение зависит от степени развития трещиновато- сти, наличия тектонических зон и гидрогеологического режима. Строение кор выветривания зависит также от геоморфологических элементов местности, на которых они развиваются (водоразделы, склоны, террасы и т.д.). В инженерной геологии при изучении процессов и продуктов вывет- ривания решаются следующие задачи: 1) определение строения и зако- номерностей распространения зон и горизонтов выветривания горных пород; 2) оценка скоростей процессов выветривания и сноса продуктов разрушения, а также изменения состояния и свойств горных пород во времени; 3) разработка региональных схем расчленения кор выветрива- ния с оценкой физико-механических и фильтрационных свойств горных пород; 4) связь оползней, обвалов и других явлений с зонами выветрива- ния; 5) оценка устойчивости выветрелых горных пород в откосах; 6) определение глубины съема выветрелых горных пород в основаниях со- оружений; 7) выбор методов технической мелиорации для улучшения свойств выветрелых горных пород; 8) использование выветрелых горных пород в качестве стройматериалов, в земляных сооружениях, противо- фильтрационных экранах; 9) выбор методов разработки выветрелых гор- ных пород в котлованах и карьерах. Примеры скоростей выветривания некоторых типов горных пород: глинистые горные породы – 0,02 до 1 м/год, осадочные сцементирован- ные горные породы – 0,05–0,12 м/год. Инженерная и хозяйственная деятельность человека в большинстве случаев усиливают процессы выветривания. Методы борьбы с выветриванием горных пород: 1) устройство защит- ных покрытий из рыхлых природных материалов или бетона; 2) обработ- ка горных пород жидким стеклом или смолами; 3) нейтрализация агентов выветривания введением в горные породы минеральных солей; 4) плани- ровка территорий, осушение горных пород разными методами; 5) агроле- сомелиорация склонов. 52 4.3.2. Гравитационные склоновые процессы Оползни–это скользящие смещения на склонах блоков горных пород под действием собственного веса и влиянием гидродинамических, сей- смических и других факторов. Методы борьбы с оползнями: организация поверхностного стока, осушение участков развития оползней дренажны- ми системами, ограничение строительства, закрепление грунтов травяни- стой и древесно-кустарниковой растительностью, техническая мелиора- ция, запрещение взрывных работ, ограничение скоростей движения транспорта, планировка склонов, возведение удерживающих устройств – набивных свай, стен, банкетов, организация стационарных противо- оползневых наблюдений, изучение и оценка устойчивости склонов. Обвалы –это отделение блоков горных пород вдоль крутых обрыви- стых склонов и их последующее обрушение и скатывание. Обвалы вызы- вают катастрофическое обрушение миллионов и миллиардов кубометров горных пород. Борьба с обвалами: прогнозирование обвалоопасных склонов, искусственное обрушение неустойчивых глыб и участков, це- ментирование трещин, закрепление склонов железными скрепами, возве- дение стенок, улавливающих рвов и траншей. Осыпи – это накопления, образующиеся при скатывании со склонов об- ломков горных пород различного размера. При накоплении материала осыпи могут многократно переходить в подвижное состояние. Меры предупрежде- ния осыпей: планировка и расчистка склонов, закрепление их подпорными стенками, устройство козырьков (или сеток), галерей и тоннелей. Некоторые исследователи относят к гравитационным склоновым про- цессам сели и снежные лавины. Однако необходимо отметить, что меха- низм образования селей связан с деятельностью поверхностных вод и процессами склоновой эрозии, а снежные лавины – это особые явления в атмосфере сезонного проявления, связанные с климатом, и вряд ли их можно относить к геологическим процессам (геологический процесс начинается тогда, когда в снежные лавины вовлекаются горные породы). 4.3.3. Экзогенные процессы, связанные с деятельностью поверхностных вод Размывание –это механическое разрушение и снос частиц несвязных грунтов, слагающих дневную поверхность, временными водотоками. Связные скальные грунты относятся к трудноразмываемым горным по- родам. Процесс размывания получил различные названия – плоскостная 53 эрозия, склоновая эрозия и др. В результате размывания происходит сглаживание рельефа, возникновение новых его форм, образуются про- моины, рытвины, овраги, накапливаются наносы делювия и пролювия. Размывание способствует развитию таких явлений как оползни, обвалы и другие. Формируются каменно-грязевые потоки – сели. Процессы размы- вания широкомасштабны и затрудняют инженерную и хозяйственную деятельность человека, и человек непродуманной деятельностью может активизировать эти процессы. Методы борьбы с размыванием можно объединить в несколько групп: 1) создание систем водоотводов; 2) закрепление склонов дерном и расти- тельностью; 3) возведение инженерных сооружений – стен, барьеров и т.д.; 4) техническая мелиорация грунтов; 5) работы по планировке днев- ной поверхности; 6) организация специальных противоселевых и других служб. Необходимо также систематически проводить работы по прогно- зированию отрицательных явлений в связи с размыванием горных пород и разрабатывать рекомендации по их предотвращению. Селевые потоки – это временные потоки в горных районах, насы- щенные твердым материалом от 50 до 1000 кг/м 3 . Твердая фаза может превышать 50% объема селевой массы. Объемная масса селя достигает 1,5–2 т/м 3 . Факторы, способствующие селеобразованию: 1) климат с рез- ким перепадом температур и резкой сменой засушливых периодов и лив- невых дождей; 2) наличие ледников; 3) расчлененный горный рельеф с крутыми склонами; 4) широкое развитие легкоразмываемых горных по- род. В зависимости от количества и гранулометрического состава твер- дой фазы выделяются водно-каменные и грязекаменные сели. Высота их составляет 10–15 м, а скорость движения от 6–8 до 10–12 м/с. Характерна повторяемость образования селей через 2–4 года, а катастрофических – через 10–15 лет. Сели наносят большой ущерб. Они повреждают инже- нерные сооружения, дороги, мосты, уничтожают сельхозугодья и насе- ленные пункты. Активными селевыми районами являются Забайкалье, Камчатка, Средняя Азия, Кавказ и Карпаты. Методы борьбы с селями: 1) запрещение на склонах вырубки лесов, выпаса скота, создания отвалов и терриконов; 2) строительство специ- альных гидротехнических сооружений – запруд, направляющих дамб, стен и т.д.; 3) укрепление русел рек и дополнительные лесопосадки; 4) регуляция стока гляциальных озер и др. Русловые процессы связаны с геологической деятельностью рек. Они выражаются в донной и боковой эрозии, процессах аккумуляции. В ре- зультате этих процессов разрушается дно водотоков, происходит подмыв берегов, меняется строение речных долин, формируются новые элементы 54 рельефа, образуются аллювиальные отложения. Для защиты берегов от разрушения выполняются работы по укреплению береговых склонов, сохранению пляжей, регуляции стока (т.е. возводятся сооружения с це- лью изменения направления течения, уклонов, скоростей и расхода во- ды). Организуются стационарные режимные наблюдения для прогнози- рования аварийного состояния берегов и прилегающих территорий, име- ющих инженерные сооружения. Процессы абразии и сопутствующие аккумулятивные процессы связаны с волноприбойной деятельностью вдоль береговой зоны Миро- вого океана, внутренних морей, озер и водохранилищ. В результате про- исходит переработка береговой линии континентов – разрушение берегов и пляжей. Процессы абразии сопровождаются оползнями, обвалами, осыпями. Развивается заболачивание территорий, прилегающих к водо- хранилищам и пр. Методы борьбы с абразией: 1) возведение защитных инженерных сооружений – волноотбойных и подпорных стен, волноло- мов, молов, бунов, каменных набросков, тетраподов и т.д.; 2) отсыпка искусственных береговых подушек, гасящих волны (т.е. создание искус- ственных пляжей); 3) сохранение по возможности сложившегося природ- ного равновесия между морем и сушей; 4) сохранение естественных пля- жей (нельзя отложения пляжей использовать для строительных целей, пример: драмы черноморских пляжей); 5) проектирование портовых и береговых сооружений с учетом развития процессов абразии. В последнее время в береговой зоне Мирового океана активизирова- лась инженерно-геологическая деятельность в связи с активным освоени- ем минеральных ресурсов шельфа, которая должна сопровождаться про- граммами мероприятий по предупреждению развития негативных инже- нерно-геологических процессов и явлений. 4.3.4. Экзогенные процессы, связанные с деятельностью подземных вод Среди экзогенных процессов, вызванных деятельностью подземных и частично поверхностных вод, выделяются: Карст – это характерные формы подземного и поверхностного рель- ефа – пещеры, каверны, воронки, борозды, канавы и другие, возникшие в результате растворения горных пород под влиянием, главным образом, подземных и в меньшей мере поверхностных вод. Особенно широко раз- вит карст в карбонатных толщах. При инженерно-геологических изыска- ниях выделяются территории по степени устойчивости в зависимости от развития карста. Противокарстовые мероприятия: 1) регуляция поверх- 55 ностного и подземного стока с применением противофильтрационных завес; 2) искусственное уплотнение и укрепление горных пород; 3) устройство свай глубокого заложения для укрепления оснований фун- даментов; 4) уменьшение веса сооружений, ограничение этажности зда- ний, регулировка плотности застройки территорий. Суффозия – это механический размыв горных пород под действием фильтрации подземных вод. Отрицательное влияние суффозии проявля- ется в изменении водных свойств горных пород, нарушении работы дре- нажных систем, деформации оснований фундаментов. Для предупрежде- ния подземного размыва грунтов применяются: 1) комплекс мероприятий по уменьшению скоростей подземных потоков (фильтрационные завесы и др.); 2) устройство дренажных водопонижающих систем; 3) изменение свойств грунтов методами технической мелиорации. Плывуны – это водонасыщенные тонкодисперсные грунты, легко пе- реходящие в движение под влиянием нарушений условий залегания или вибрационных нагрузок. Они имеют песчано-алеврито-глинистый состав с примесью органических веществ. Плывуны затапливают котлованы, горные выработки и другие сооружения. Меры борьбы с плывунами: за- крепление грунтов методами технической мелиорации, устройство си- стем водопонижения, водонепроницаемых перемычек, мерзлотных завес, шпунтовых стен, замораживание самих плывунов. Заболачивание территорий развивается на пониженных или ровных участках рельефа с избыточным увлажнением, слабым поверхностным стоком и определенным гидрогеологическим режимом (высокий уровень грунтовых вод). Особо отрицательным воздействием хозяйственной дея- тельности человека на окружающую среду является нарушение гидро- геологического режима, в результате чего происходит подтопление тер- риторий среды обитания с последующим заболачиванием. Эти негатив- ные процессы развиваются в черте городов и населенных пунктов, райо- нах гидротехнических сооружений (в том числе водохранилищ), связаны с неправильно проводимой мелиорации, поливном земледелии и т.д. (примеры: трагедия Каракалпакии, гибель Арала). В бывшем СССР болота и заболоченные участки составляли около 10% от общей площади. Самое крупное болото – Васюганское в Томской области, его площадь – 50 000 км 2 . Болота содержат около 60% всех запа- сов торфа. В составе болотных отложений отмечаются растительные остатки, торф, сапропель, заторфованный и сапропелевый ил, рыхлые песчано-глинистые осадки. Они характеризуются низкой прочностью, высокой сжимаемостью, не могут служить основаниями сооружений, осложняют освоение территорий. 56 Меры по ограничению (но не борьба до полной победы) отрицатель- ного влияния болот: 1) осушение с помощью различных дренажных си- стем (обычно это сеть канав); 2) уменьшение площади болот искусствен- ными намывными и насыпными грунтами; 3) отвод вод, питающих боло- та, и снижение уровня грунтовых вод; 4) предотвращение утечек воды из водопроводов и различных коллекторов; 5) комплексное применение (например, параллельно с осушением) методов технической мелиорации для улучшения свойств грунтов; 6) разработка оптимального промышлен- но-техногенного круговорота воды без его вредного воздействия на круго- ворот воды в природе (вопрос этот выходит за пределы мер борьбы с забо- лачиванием и становится глобальной проблемой мировой экологии). При решении задач, связанных с изучением болот, и ведении инже- нерно-геологических изысканий заболоченных территорий необходимо руководствоваться указаниями «Строительных норм и правил» и други- ми нормативными документами. |