учебное пособие геология инженерные изыскания. Учебное пособие к практическим и лекционным занятиям для студентов очной и заочной форм обучения всех строительных специальностей
 Скачать 2.75 Mb.
|
|
9.3. Геологическая деятельность атмосферных осадков На поверхность материков постоянно выпадают атмосферные осадки в виде дождей, снега и льда в количестве до 112 тыс. км 3 в год. Наибольшую геологическую работу при этом совершает текучая вода, которая, растекаясь по поверхности в сторону падения рельефа, разрушает 55 горные породы, переносит и откладывает продукты разрушения. Разрушительная работа текучих вод носит название эрозии. После дождя (или таяния снега) вода растекается по поверхности земли в виде многочисленных микроструек, каждая из которых не имеет фиксированного пути. Образуется сплошной поверхностный поток и разрушительное действие воды осуществляется на всей поверхности земли. Так происходит плоскостной смыв (плоскостная эрозия), который ведет к выполаживанию местности. Плоскостной поток в соответствии с рельефом местности постепенно разбивается на отдельные струи, создаются крупные потоки (ручьи), осуществляющие струйчатую эрозию. Это ведет образованию промоин, оврагов и т. д. Образование наносов. Продукты выветривания пород (элювий) плоскостными потоками смываются с возвышенностей на склоны и к их подножию. В зависимости от силы потоков и крутизны склонов в перемещении принимают участие частицы глинистые, пылеватые, песчаные и даже более крупные обломки. Со временем на склонах и в пониженных частях рельефа накапли- ваются отложения наносов: на склонах и у их подошвы – делювий, в понижениях, примыкающих к склонам,— пролювий (см. рис.9.1). Элювий – продукт выветривания горных пород, оставшийся на своем месте, он представлен обломочным материалом различной крупности: от больших глыб до глинистого тончайшего материала. Залегает главным образом на высоких частях рельефа, на водоразделах. Элювий по глубине постепенно переходит в коренные породы. Рис.9.1. Схема образования наносов на склоне рельефа: Э – элювий; Д – делювий; П – пролювий; 1-атмосферные осадки; 2-плоскостной смыв; 3-коренные породы; 4-первоначальная поверхность склона Делювий – материал, перенесенный и отложенный временными водотоками в основании склонов и их подошвы (в понижениях, примыкающих к склонам – пролювий) – суглинок, супесь и щебень. 56 Мощность отложений измеряется от долей метра до 15-20 метров. В минералогическом отношении делювий связан с породами, расположенными выше по склону. Делювий более отсортированный материал, являются хорошим, надежным основанием для сооружений. Отрицательным свойством является способность к сползанию вниз по склонам. Пролювий – представляет собой комплекс рыхлых образований неоднородного состава, особенно по вертикали. В толщах пролювия суглинки и супеси могут переслаиваться с крупнозернистым материалом. Образование оврагов. При таянии снега и дождя на склонах рельефа отдельные струйки образуют временные ручьи. Возникает струйчатая эрозия, что приводит к образованию вытянутых понижений рельефа — оврагов (рис. 9.2). Овраг может вскрыть грунтовую воду. В этом случае возникает постоянный водоток, который, в свою очередь, усиливает рост оврага. Способствуют развитию оврагов устройство неукрепленных канав на склоне, нарушение дернового покрова и вырубка растительности. Рис. 9.2. Продольный разрез оврага: 1 – устье; 2 – ложе; 3 – вершина; 4 – направление роста оврага; 5 – конус выноса; 6 – базис эрозии; 7 – максимальная глубина оврага В овраге различают устье, ложе и вершину (рис. 9.2). Овраг растет вершиной вверх по склону. Одновременно происходит и его углубление и расширение за счет размыва склонов оврага. Предельной отметкой, до которой возможен размыв ложа оврага, является уровень бассейна (озеро, река и т. д.), в который впадает водоток оврага. Этот уровень называют базисом эрозии. Размывающая деятельность овражных водотоков приводит к накапливанию наноса — овражного аллювия, который накапливается в районе устья оврага в виде конуса выноса. Размеры оврагов и балок самые различные. Длина их колеблется от десятков метров до многих километров. Глубина до 30 – 40 м. Скорость роста оврагов зависит от активности водотоков и характера размываемых пород и колеблется от 0,5 – 1 до 40 м в год. Предотвратить появление 57 оврагов можно проведением ряда профилактических мероприятий. Следует запрещать распахивать склоны и устраивать необлицованные канавы, ориентированные вниз по склону, вырубать на склонах растительность и нарушать дерновый покров. Мелиоративные мероприятия на землях, подверженных овражной эрозии, включают: – планировку приовражных и прибалочных склонов, засыпку мелких оврагов глубиной 1,5–2 м; – выполаживание оврагов с устройством гидротехнических соору- жений (лотков, быстротоков, перепадов); – создание противоовражных лесных полос; – строительство на базе оврагов и балок водоемов, дорожной сети. Селевые потоки. Сель (или силь) – по-арабски означает горный, быстро несущийся поток. Действительно, сели представляют собой временные, но бурные грязекаменные потоки, возникающие в горных районах. Это грозное явление природы часто имеет катастрофический характер. Сели вызываются дождевыми ливнями или быстрым таянием снегов и ледников в горах. Огромная масса воды устремляется вниз по ущельям, смывая и захватывая по дороге элювий и делювий. В результате водный поток превращается в грязекаменный. Большое разрушительное воздействие селевых потоков обусловлено большими скоростями движения и наличием в них обломков горных пород. Средняя скорость движения селевых потоков достигает до 8 м/с. На своем пути сели прокладывают глубокие русла, которые в обычное время бывают сухими или содержат небольшие ручьи. Твердый материал селей откладывается в предгорьях. Полезные площади оказываются погребенными под толщей грязи, песка и камней. 9.4. Геологическая деятельность рек Подземные воды и временные ручьи атмосферных осадков, стекая по оврагам и балкам, собираются в постоянные водопотоки – реки. Площадь, с которой к реке стекает вода, называют бассейном реки. Полноводные реки совершают большую геологическую работу – разрушение горных пород (эрозия), перенос и отложение (аккумуляция) продуктов разрушения. Эрозионная деятельность рек. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Кроме того, речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на горные породы растворяющее действие. Перенос продуктов эрозии осуществляется различными способами: в растворенном виде, во взвешенном состоянии, перекатыванием обломков 58 по дну, сальтацией (подпрыгиванием). При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения называют аллювиальными (aQ). Строение речных долин. Долины рек имеет следующие элементы: дно долины, русло, пойму и террасы (рис. 9.3). Дно – низшая часть долины, заключенная между подошвами склонов. Русло — часть долины, занятая водным потоком. Пойма – часть речной долины, заливаемая водой в период паводка в силу таяния снега весной. Старицы — изолированные старые русла рек, в которых вода не движется, а стоит как в озерах. Рис. 9.3. Элементы строения долины реки: 1 — коренные породы; 2 — склон; 3 — русло; 4— пойма; 5 — первая надпойменная терраса; 6—то же, вторая; 7—старица; 8 — дно долины Террасы – уступы на склонах долин рек. Продольные террасы располагаются вдоль склонов долин в виде горизонтальных или почти горизонтальных площадок. Их называют надпойменными. При паводках они не заливаются водой. Каждая надпойменная терраса в свое время была поймой. Отсчет надпойменным террасам ведут снизу вверх (I – надпойменная, II – надпойменная и т. д.). Аллювиальные отложения рек и их строительные свойства. Значительная часть аллювиальных отложений скапливается в русле рек и на поймах. Общая мощность аллювиальных отложений в долинах рек различна – от нескольких метров до десятков метров. По характеру осадков и месту их накопления речные отложения разделяют на дельтовые, русловые, пойменные. В дельтах накапливаются песчано-глинистые осадки. Материал, который откладывается в руслах рек, называют русловым аллювием. В его состав входят пески и более грубые обломки – галечник, гравий, валуны. Пойменный аллювий откладывается в период паводка и представляет собой суглинки различного состава, глины и мелкозернистые пески. Отложения поймы обычно обогащены органическим материалом. В пределах речных долин могут залегать отложения неаллювиального характера. К их числу относят делювий, конусы выноса пролювиальных наносов и эоловые накопления. 59 В речных долинах, на поймах и надпойменных террасах часто приходится строить крупные здания и сооружения, передающие зна- чительные нагрузки на грунт. Примером могут служить элеваторы, речные вокзалы, различные портовые сооружения и др. В качестве оснований для них принимают древний уплотненный аллювий аккумулятивных террас и русловые отложения, так как русловой аллювий, представленный крупными обломками и песком, способен выдерживать тяжелые сооружения. Русловые отложения в долинах крупных рек служат хорошим основанием для мостовых переходов. В случаях, когда русловой аллювий перекрывается пойменными и старичными отложениями, используют свайные фундаменты. Древний пойменный аллювий в виде суглинков и глин твердой консистенции является хорошим основанием. Однако следует иметь в виду, что на древних террасах аллювиальные суглинки часто имеют лессовидный облик и могут обладать просадочными свойствами. В этом случае строительство следует вести как на лессовых просадочных грунтах. Современный пойменный аллювий обладает высокой влажностью, либо вообще находится в водонасыщенном состоянии с низкой несущей способностью. Суглинки и глины легко переходят в пластичное и даже текучее состояние. Следует учитывать и такую характерную особенность аллювиальных отложений, как многослойность их толщ с наличием линз и пропластков. Слои и прослои под нагрузкой могут обладать различной сжимаемостью, что значительно усложняет расчет осадки сооружений. С аллювиальными отложениями связаны такие явления, как плывунность песчаных и набухание глинистых грунтов. 9.5. Геологическая деятельность в болотах Избыточно увлажненные участки земной поверхности с развитой на них специфической растительностью называют болотами. Болота более свойственны берегам рек, старицам, побережьям озер, вечной мерзлоте. По происхождению, т. е. по условиям питания водой, болота подразделяют на низинные, верховые и переходные (рис. 9.4). Низинные болота питаются грунтовой, частично речной или озерной, а также дождевыми и талыми водами. Для верховых болот основным поставщиком воды являются атмосферные осадки и талые воды. Болота переходного типа имеют смешанное питание. В соответствии с условиями питания водой низинные болота образуются заторфовыванием водоемов, а верховые болота – заболачиванием суши. 60 Рис.9.4. Типы болот: а – низинное; б – верховое; 1 – минеральное дно; 2 – торф; 3 – ил; 4 – заболоченный грунт (стрелки показывают источники питания болот водой) Заболоченные земли формируются на тех участках земной поверхности, где наблюдается уменьшение водопроницаемости грунтов или ухудшение условий испарения воды, поверхностного ее стока и подземного дренирования. На этих участках грунтовые воды постоянно сохраняют свой высокий уровень. Их зеркало почти совпадает с поверхностью земли. Часты случаи появления болот в местах выхода на поверхность подземных вод, где отсутствует возможность оттока. Строительная оценка болот. Болота являются неблагоприятными местами для возведения зданий и сооружений. Для определения возможности строительства на болотах необходимо установить происхождение болота и его основные характеристики (глубину, рельеф минерального дна, площадь). Зная происхождение болота, можно разработать мероприятия по его осушению. Наиболее легко осушаются верховые болота. Глубина болотных отложений имеет решающее значение для выбора типа фундамента и всей конструкции сооружения. По глубине болота подразделяют на мелкие (до 2 м), средние (2 – 4 м) и глубокие (более 4 м). 9.6. Геологическая деятельность ледников Геологические данные говорят о том, что в древние времена оледенение Земли было значительным. На протяжении последних 500- 600 тыс. лет на территории Европы насчитывают несколько больших оледенений. На Русской равнине в течение последних 240 тыс. лет произошло три крупных оледенения. Между оледенениями наступало потепление – межледниковые эпохи. Наиболее значительным считают днепровское оледенение, когда ледники Скандинавии достигли широты Среднего Дона. Расчеты показывают, что последние льды должны были оставить окрестности Санкт-Петербурга 12-16 тыс. лет назад. Существенное оледенение установлено также на территории Сибири и в других районах. Таким образом, оледенение четвертичного возраста проходили на глазах человека. Они не охватывали всю поверхность Земли. 61 Каждая ледниковая эпоха связана с определенным участком земной поверхности. Современная эпоха оледенений протекает в Антарктиде, Гренландии, Шпицбергене др. районах. Геологическая деятельность льда велика и обусловлена главным образом его движением, несмотря на то, что скорость течения льда примерно в 10 000 раз медленнее, чем воды в реках при тех же условиях. Разрушительная работа ледников. При своем движении лед истирает и вспахивает поверхность земли, создавая котловины, рытвины, борозды. Эта разрушительная работа совершается под действием тяжести льда. Только при толщине льда 100 м каждый квадратный метр ложа ледника испытывает давление 920 МПа. В лед вмерзают обломки пород. При движении ледника эти обломки в свою очередь оказывают разрушающее действие на поверхность земли. Двигаясь по ущельям или другой какой-либо наклонной плоскости, ледники захватывают продукты разрушения путем вмораживания их в лед. Таким способом обломочный материал передвигается вместе с ледником. При таянии льда весь обломочный материал отлагается. Образуются значительные по мощности ледниковые отложения. Обломочный материал, который находится в движении или уже отложился, носит название «морены». Моренные отложения представляют собой грубый неоднородный, неотсортированный, неслоистый обломочный материал. Чаще всего это валунные опесчаненные красно-бурые суглинки и глины или серые разнозернистые глинистые пески с валунами. Морены залегают покровами и характеризуются мощностью в десятки метров. При таянии ледника образуются постоянные потоки талых вод, которые размывают донную и конечную морены. Вода подхватывает материал размываемых морен, выносит за пределы ледника и откладывает в определенной последовательности. Вблизи границ ледника остаются крупные обломки: дальше осаждаются пески и еще дальше – глинистый материал. Такие водно-ледниковые отложения получили название флювиогляциальных. Флювиогляциальные отложения отличаются сравнительной отсортированностью и слоистостью. Они обычно представлены толщами песка, гравия, галечника, а также глинами и покровными суглинками, которые имеют широкое распространение как в пределах ледниковых отложений, так и далеко за границами оледенения. Мощность покровных суглинков достигает многих метров. В озерах, располагающихся перед ледниками, накапливаются мелкозернистые осадки и так называемые ленточные глины, состоящие из чередования темных глинистых прослоек и более светлых прослоек из опесчаненных глин. Ледниковые образования четвертичного периода обозначаются общим индексом gQ, а флювиогляциальные отложения fgQ. 62 Строительные свойства ледниковых отложений. Моренные отложения являются надежным основанием для сооружений различного типа. Валунные суглинки и глины, испытавшие на себе давление мощных толщ льда, находятся в плотном состоянии и в ряде случаев даже переуплотнены. Пористость валунных суглинков не превышает 25 – 30 %. На валунных суглинках и глинах здания и сооружения испытывают малую осадку. Эти грунты слабоводопроницаемы и часто служат водоупором для подземных вод. Валунники с песком и валунные пески с гравием и галькой водопроницаемы и водоносны. Это в известной мере отрицательно влияет на строительные объекты, но, с другой стороны, подземную воду успешно используют для питьевых и технических целей. Флювиогляциальные отложения со строительной точки зрения, хотя и уступают моренным глинистым грунтам по прочности, но являются надежным основанием. Некоторое исключение составляют покровные суглинки и ленточные глины. Покровные суглинки легко размокают. Ленточные глины достаточно плотны, слабо водопроницаемы, но могут в условиях насыщения водой быть текучими. Отрицательным качеством всех глинистых ледниковых отложений является наличие случайных вкраплений отдельных валунов. Это может привести к неравномерной осадке и деформации зданий. 9.7. Сезонная и многолетняя мерзлота Сезонная мерзлота. Результатом смены времен года является периодическое сезонное промерзание и протаивание некоторого приповерхностного горизонта земной коры. Слой сезонного промерзания и протаивания называется деятельным слоем. Различают слой сезонного протаивания, расположенный над мерзлотой, и слой сезонного промерзания над талым субстратом. При этом исходят из того положения, что существуют постоянно мерзлая толща пород (многолетняя мерзлота) и постоянно талая толща (за пределами области многолетней мерзлоты). Для первой характерно сезонное протаивание, т. е. потенциальное сезонное промерзание вуалируется наличием многолетней мерзлоты; для второй характерно сезонное промерзание, так как потенциальное протаивание здесь не проявляется из-за малой глубины зимнего промерзания. Поэтому и даны названия – слой сезонного протаивания для области многолетней мерзлоты и слой сезонного промерзания – для области вне многолетней мерзлоты. Сегодня все чаще пользуются иными названиями: деятельный слой над многолетнемерзлым субстратом, имея в виду сезонное промерзание и протаивание над многолетней мерзлотой и деятельный слой над талым субстратом, имея в виду сезонное промерзание над талой толщей горных пород. В деятельном слое происходят наиболее значительные годовые колебания температур, совершается наибольшая 63 часть годовых теплооборотов, наиболее интенсивно развиваются физические, физико-химические и геологические процессы. Географическое распространение сезонного промерзания очень велико. По существу оно наблюдается повсюду, за исключением субтропиков и тропиков, где оно возможно лишь в высоких горах. В пределах одного и того же участка местности глубина сезонного промерзания и протаивания не бывает одинаковой от года к году. Но эта глубина при неизменности климатических и других физико- географических условий колеблется около некоторой постоянной средней величины. Темпы сезонного промерзания различны. На севере скорость сезонного промерзания 1-3-5 см, в сутки. Полное промерзание достигается уже в ноябре – декабре. На юге при большой мощности деятельного слоя сезонное промерзание происходит в течение всего периода охлаждения, т. е. всей зимы. Процессы, происходящие в деятельном слое. Деятельный слой – это такой горизонт земной коры, в пределах которого совершаются наиболее активные, наиболее динамичные процессы преобразования горных пород. Особое внимание при строительстве в деятельном слое необходимо обращать на морозное (криогенное) пучение грунтов – процесс, вызванный промерзанием грунта, образованием ледяных прослоев, деформацией скелета грунта, приводящих к увеличению объема грунта и поднятию его поверхности. Объемные деформации в грунтах основания фундаментов приводят к поднятию конструкций фундаментов, и тем самым, наносят повреждения фундаментам и надземным конструкциям зданий и сооружений. Нормативную глубину сезонного промерзания грунта fn d , при отсутствии данных многолетних наблюдений следует определять на основе теплотехнических расчетов. Для районов, где глубина промерзания грунтов не превышает 2,5 м, её нормативное значение допускается определять по формуле: t fn M d d 0 , (9.1) где M t – безразмерный коэффициент, численно равный сумме абсолютных значений среднемесячных отрицательных температур за зиму в данном районе (по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»); d 0 – величина, принимаемая равной для суглинков и глин 0,23 м; супесей, песков мелких и пылеватых – 0,28 м; песков гравелистых, крупных и средней крупности – 0,3 м; крупнообломочных грунтов – 0,34 м. Значение d 0 для грунтов неоднородного сложения определяют как средневзвешенное в пределах глубины промерзания. Многолетняя мерзлота. Многолетняя мерзлота – это мерзлые 64 горные породы, характеризующиеся температурой от 0° и ниже, содержащие в своем составе лед и находящиеся в таком состоянии в течение трех и более лет. Мощность слоев вечной мерзлоты от 1-2 до нескольких сотен метров. По характеру распространения многолетняя мерзлота может быть разделена на три зоны: 1 - сплошная, 2 - мерзлота с островами талых грунтов и 3 - островная (острова мерзлоты среди талых пород). Каждая из этих зон характеризуется различными мощностями и температурами мерзлых толщ. При этом и внутри зон мощности и температуры изменяются в направлении с севера, на юг – мощности уменьшаются, температуры повышаются. |