Інженерна геологія

де s - площа поверхні тріщин;

S - площа поверхні відслонення, на якому виконуюються виміри.

Користуючись цими показниками, Л.І.Нейштадт (1957) запропонувала наступну класифікацію порід за ступенем тріщинуватості:

Породи слабко тріщинуваті (К_тр ) (спостерігаються тріщини волосні і шириною 1 мм).

Породи середньотріщинуваті (К_тр= 2-5%) (тріщини шириною 2-5 мм).

Породи сильнотріщинуваті (К_тр= 5-10 %) (поряд з тріщинами шириною до 5 мм спостерігаються тріщини шириною від 20 до 100 мм).

Породи дуже сильно тріщинуваті (К_тр ) (шириною від 20 до 100 і більше мм).

Про ступінь тріщинуватості порід можна судити опосередкованим способом, наприклад, за результатами буріння свердловин:

врахування проценту виходу керна; за інших однакових умов складу і властивостей порід, режиму буріння і інших показників, чим більш монолітні породи, чим вони менш тріщинуваті, тим вищий вихід керну;

підрахунок числа тріщин на 1 погонний метр керну;

спостереження за витратами промивної рідини;

огляд і фотографування стінок свердловин за допомогою спеціальних приладів і телепристроїв (фотокаротаж);

вимірювання щільності порід у свердловині (гамма-гамма-каротаж тощо).

Порівняльна оцінка ступеня тріщинуватості порід може виконуватися також за результатами дослідних нагнітань і наливів води в свердловини і гірничі виробки, а також дослідних відкачувань, якщо породи водоносні.

Оцінка впливу тріщин на стійкість місцевості повинна завершуватися обгрунтуванням інженерних заходів для усунення шкідливого впливу (укріплення гірничих виробок, цементація, глинизація, бітумізація, протифільтраційні завіси, дренажі і т.п.).

Запитання для самоконтролю.

1. Назвіть основні завдання тектонічних досліджень під час інженерно-геологічної оцінки місцевості.

2. Яким чином умови залягання порід впливають на стійкість споруд?

3. Охарактеризуйте різні варіанти (схеми) умов залягання порід та їх вплив на осідання споруд (за М.М.Масловим)

4. Яким за походженням бувають тріщини в гірських породах?

5. Дайте характеристику тектонічним тріщинам.

6. На які групи поділяються нетектонічні тріщини?

7. Назвіть явища, котрі виникають внаслідок тріщинуватості гірських порід.

8. Як вивчається тріщинуватість і подрібненість гірських порід під час інженерно-геологічних досліджень?

9. Охарактеризуйте показники тріщинуватості гірських порід, котрі застосовуються під час інженерно-геологічних досліджень.

10. Як поділяються породи за коефіцієнтом тріщинної пустотності?

2.3 Основні завдання літологічних і петрографічних досліджень для інженерно-геологічної оцінки місцевості

Літологічні і петрографічні методи досліджень широко використовуються для інженерно-геологічної оцінки місцевості. В результаті цих досліджень встановлюються: 1) чергування й умови залягання шарів та іншої форми геологічних тіл, що мають різні особливості; 2) текстура порід; 3) структура порід.

Чергування і умови залягання шарів та іншої форми геологічних тіл у дуже великій мірі впливають на інженерно-геологічну оцінку місцевості. Як відомо, така оцінка дається стосовно конкретних геологічних умов і типу споруди, що проектується. Маючи на увазі велике розмаїття геологічних умов і типів споруд, необхідно в кожному окремому випадку проаналізувати інженерно-геологічні умови будівництва та експлуатації даної споруди з урахуванням вимог, які вона висуває до природної обстановки.

Це можна проаналізувати наступним прикладом. Свого часу на одній із початкових стадій досліджень створу Волгоградської греблі було встановлено, що алювіадьні відклади складені пісками, для яких було визначено кут внутрішнього тертя , рівний 25^о. Однак у процесі подальших досліджень більш досконалими виробками у товщі алювіальних пісків були викриті тонкі прошарки глин значної протяжності (до 300 м). По менш міцних прошарках глин міг відбутися зсув масиву алювіальних пісків. Відповідно до вимог діючих нормативних документів, у таких випадках для забезпечення надійності майбутньої основи необхідно приймати для проектування значення міцнісних показників саме найслабкіших прошарків, незважаючи навіть на їх незначну потужність. В результаті довелося штучно зменшити значення кута внутрішнього тертя майже втричі і прийняти його рівним 8^о (замість 25^о) для всієї основи. Аналогічний глинистий прошарок, виявлений під Волгоградською греблею у товщі піщано-алевритових порід, змусив проектувальників перепроектувати греблю, вважаючи, що основою греблі є не міцна піщано-алевритова порода, а менш міцна глина. Такого виду небезпека створюється не тільки за наявності в основі споруди витриманого прошарку слабких порід, але і в тому випадку, коли такі породи залягають у вигляді ланцюжка розрізнених лінз чи обособленої лінзи, що має значну протяжність.

На сьогодні не існує ні теоретичних розрахунків, ні достатніх даних експериментів, які б вказували про вплив потужності ослаблених прошарків на величину їх опору зсувним зусиллям. Лише деякі окремо виконані досліди наводять на думку, що навіть при наявності глинистих прошарків мізерної потужності (близько 3 мм) доводиться брати до уваги показники фізико-механічних властивостей саме цих прошарків, а не більш міцних порід, навіть якщо вони і переважають у розрізі.

Але інженерно-геологічна оцінка прошарків зовсім зміниться, якщо на такій основі буде побудована споруда, яка утворює в основному стискаючі зусилля (будинок і т.п.). У цьому випадку тонкий глинистий прошарок хоч і буде найбільш слабким у розрізі і стиснеться під впливом тиску від споруди, але осідання цього прошарку, само по собі незначне і рівномірне, не становитиме загрози для стійкості споруди.

Отже, правильне визначення літологічного складу порід дозволяє:

складати інженерно-геологічні прогнози на ранніх стадіях досліджень, коли дослідник ще не має (або має у досить обмеженій кількості) дані лабораторних дослідів і розвідувальних робіт; у цьому випадку літологічний склад порід у поєднанні з умовами їх залягання дозволяє приблизно оцінити фізико-механічні властивості порід і їх поведінку у сфері дії споруди;

правильно спланувати склад і об`єм лабораторних досліджень і польових випробувань властивостей порід, тому що літологічний склад порід у значній мірі визначає як характер показників їх властивостей, так і методику польового і лабораторного визначення;

правильно намітити характер, методику і об`єми розвідувальних робіт, що проводитимуться на наступних стадіях досліджень.

Звичайно, при цьому слід брати до уваги і інші чинники (геоморфологічні, тектонічні і ін.), що впливають як на методику інженерно-геологічних досліджень, так і на інженерно-геологічну оцінку умов будівництва.

2.3.1 Вплив петрографічних особливостей порід на оцінку інженерно-геологічних умов будівництва

Встановлення зв`язку між петрографічними особливостями порід і їх фізико-механічними властивостями дає можливість:

розчленовувати товщу порід, які складають природну основу споруд, на інженерно-геологічні елементи, для яких і можна обчислювати узагальнені показники їх фізико-механічних властивостей;

отримувати не лише цифрові значення показників фізико-механічних властивостей порід, але і виявляти причини погіршення чи покращання властивостей окремих різновидів порід, що дуже важливо знати під час розроблення способів покращання фізико-механічних властивостей порід;

вибирати найдоцільніші способи, конструкції і режими влаштування гірничих виробок;

вибирати найбільш раціональні й доцільні способи і місця відбирання проб і методику вивчення властивостей порід.

Для розв`язання вказаних завдань виконується вивчення як текстурних, так і структурних особливостей гірських порід, що складають природні основи споруд.

Велике значення при інженерно-геологічному вивченні порід має виявлення їх шаруватості та її орієнтація у просторі. Залежно від спрямування шаруватості стосовно діючої від споруди сили, значення основних показників інженерно-геологічних властивостей порід дуже змінюються. Досліди показують, що шаруватість може впливати на величину набрякання глинистих порід, на тертя і зчеплення грунтів (при зміні кута нахилу шаруватості відносно горизонтальної площини від 0⁰ до 90⁰ набрякання зменшується від 9% до 1,6% (для кримських глин); коефіцієнт тертя збільшився на 15-38% у зразків, зсунутих перпендикулярно до шаруватості у порівнянні зі зразками, зсунутими паралельно шаруватості).

Шаруватість порід впливає також і на їх фільтраційні властивості: коефіцієнти фільтрації збільшуються, якщо вода фільтрується перпендикулярно шаруватості порід.

Але не тільки шаруватість порід впливає на оцінку інженерно-геологічних умов будівництва, але й розподіл окремих текстурних елементів також. Наприклад, великі уламки скельних порід серед пухких осадових можуть суттєво змінити методи виконання як дослідницьких робіт, так і майбутнього будівництва.

Питання впливу структури порід на їх фізико-механічні властивості мають розглядатися у курсі грунтознавства, тому обмежимося лише деякими прикладами. Наприклад, показники властивостей крейдяних глин із рівномірним розподілом карбонатів і показники тих же порід, що вміщують карбонати у вигляді окремих зерен, значно відрізняються між собою (при однаковому вмісті карбонатів і щільності породи).

Наявність багатьох акцесорних мінералів у гірських породах в цілому не впливає на оцінку інженерно-геологічних умов. Однак, присутність у породі деяких мінералів, навіть у незначній кількості, може сильно змінити умови будівництва. До таких мінералів належить, наприклад, пірит. Відомо, що він за певних умов легко розкладається, причому його розкладення супроводжується утворенням іонів сірчаної кислоти, яка збільшує агресивну здатність підземних вод, що доводиться обов'язково враховувати при оцінці інжнерно-геологічних умов.

Наявність гіпсу в породах зазвичай викликає у дослідників і пректувальників занепокоєння щодо його вилуговування і, як наслідок, утворення небезпечних для споруди пустот та зменшення міцності самої породи. Через такі пустоти можуть відбуватися інтенсивні витікання води, а склепіння пустот можуть обвалюватися і викликати неприпустимі деформації споруд. Подібні явища можуть виникати і при вилуговуванні легко розчинних солей, наприклад, кам`яної тощо

2.3.2 Петрографічна характеристика основних типів гірських порід

Магматичні породи. Як відомо, магматичні гірські породи утворюються з магматичних розплавів. Залежно від складу магми, умов її вистигання і кристалізації, в земній корі утворюються гірські породи того чи іншого складу і структури.

Під впливом тектонічних рухів магматичні маси, проникаючи в товщу земної кори, піддаються тиску з боку мас бокових порід, що рухаються. Такий тиск призводить до витікання магми в напрямках, перпендикулярних до нього. В цю фазу початкової магматичної тектоніки - прототектоніки - починають зароджуватися й розвиватися текстурні особливості породи. Вони проявляються в рівномірному або нерівномірному розподілі в ній орієнтованих кристалів мінералів, шлірових виділень, ксенолітів, слідів флюїдності, лінійності, смугастості, сланцюватості тощо. Все це в кінцевому рахунку створює неоднорідність, анізотропність породи, формує поверхні й зони послаблення, явні або приховані.

В міру вистигання й кристалізації магматичних мас під впливом внутрішніх сил і тектонічних рухів, що продовжуються (боковий тиск), у затверділому масиві утворюються системи прихованих, закритих і відкритих мікро- і макротріщин, розколин і розломів. По них, як по каналах, піднімаються магматичні розчини, котрі, застигаючи, утворюють жили, дайки і т.п. Ці процеси характеризують пізньомагматичну фазу формування магматичного масиву. Деякі системи тріщин, розколин і розломів з'являються після повного затухання магматичних процесів, у постмагматичну фазу або навіть під час наступних тектонічних циклів. Всі ці явища пізньо- і постмагматичної фаз створюють внутрішню структуру маси магматичних порід із притаманними їм "дефектами", котрі впливають на їхню міцність, деформаційність, стійкість, водопроникність, водоносність тощо.

Таким чином, формування магматичних порід протікає в особливих термодинамічних умовах, які створюють великі внутрішні напруження стискання, за постійного впливу зовнішніх тектонічних рухів (боковий тиск). Ці значні внутрішні напруження в породах проявляються в їхніх структурно-петрографічних особливостях.

Із наведеного випливає, що інженерно-геологічна характеристика скельних магматичних порід у зразку завжди має істотно відрізнятися від характеристики, котру вони мають в умовах природного залягання. Тому в основі інженерно-геологічного вивчення цих порід повинні бути структурно-петрографічні й структурно-тектонічні польові спостереження й дослідження. Лабораторні дослідження магматичних порід дозволяють розширити характеристику їхніх властивостей, але замінити польову оцінку місць розташування споруд, умов їхнього будівництва і використовуватися для прогнозу стійкості не можуть.

Залежно від структури, складу і кількісного співвідношення породоутворюючих мінералів виділяються різноманітні типи магматичних порід. Структура цих порід відображає генезис і до певної міри дозволяє говорити про умови залягання.

Для глибинних (інтрузивних) порід характерні повнокристалічні середньо- і великозернисті структури або ж порфіровидні з середньо- і крупнозернистою основною масою. Напівглибинні породи мають повнокристалічні дрібнозернисті і гігантозернисті структури, а також порфіровидні з дрібнозернистою основною масою. Для ефузивних порід властиві прихованокристалічні, майже щільні структури або порфірові з неповнокристалічною або дуже тонкозернистою основною масою.

У магматичних породах структура характеризується головним чином:

1) ступенем кристалічності породи (повнокристалічні, порфірові, прихованокристалічні і склянисті);

2) абсолютними розмірами кристалів, що складають породу (великозернисті, середньозернисті, дрібнозернисті, афанітові - прихованокристалічні, склянисті);

3) відносними розмірами кристалів, що складають породу (рівномірнозернисті, нерівномірнозернисті, порфірові та ін.).

Найміцнішими і найстійкішими є породи, що мають повнокристалічну рівномірно-середньозернисту або дрібнозернисту структури. Породи великозернисті, грубозернисті, гігантозернисті є більш податливими до руйнування як за механічного впливу, так і при різких змінах температури. Великі кристали з вираженою спайністю у великозернистих, порфіро видних та інших породах легко розколюються, вивітрюються і викришуються з породи, порушуючи її монолітність. Склянисті породи швидко розтріскуються при різких змінах температури.

Метаморфічні породи утворюються з магматичних і осадочних порід різного складу в результаті глибокого їхнього перетворення під впливом високих температур (до 850-900⁰С) і тиску (до 1-2 тис. МПа), дії гарячих розчинів і летючих компонентів. Велике значення при цьому має і склад вихідних порід.

Ступінь перетворення й зміни первинних порід при метаморфізмі залежить від тієї фізико-хімічної й термодинамічної обстановки, в якій вони опинилися. Оскільки в різних зонах земної кори обстановка неоднакова, то розрізняють три головні ступені метаморфізму - низько-, середньо- і високотемпературний.

Низькотемпературний ступінь характеризується слабким проявом метаморфізму внаслідок помірних температур і тиску. При порівняно значному однобічному тектонічному тиску відбувається катаклаз порід і заміна безгідроксильних мінералів на мінерали, що містять гідроксил або воду. На цьому ступені утворюються такі породи, як філіти, талькові й хлоритові та інші метаморфічні сланці.

Середньотемпературний ступінь характеризується значним проявом метаморфізму внаслідок більш високих температур і тиску, а інколи й значного однобічного тиску. Тут утворюються різні мінерали, що не утримують гідроксильну воду, поряд із мінералами, які містять її в собі. Для цього ступеня характерні різноманітні кристалічні сланці, слюдяні сланці, кварцити, мармури, амфіболіти.

Для високотемпературного ступеня властивий найінтенсивніший прояв метаморфізму внаслідок високих температур і тиску, причому тиску часто спрямованого. Тут утворюються безгідроксильні мінерали. Сланцюватість порід проявляється слабкіше, кристалізація стає досконалішою. На цьому ступені утворюються різного типу гнейси (біотитові, піроксенові та ін.), мармури, кварцити, амфіболіти тощо.

Головні породоутворюючі мінерали для метаморфічних порід в основному є такими ж, як і для порід магматичних: кварц, польовий шпат, піроксени, амфіболи, слюди та ін. Однак дуже часто вторинні мінерали магматичних і осадочних порід стають головними у метаморфічних породах (сфен, апатит, рутил, серпентин, хлорит тощо).

Метаморфічні гірські породи відрізняються і своєю внутрішньою будовою, тобто структурою і текстурою. Загальною ознакою для цих порід є їхня повнокристалічна будова. Мінеральні зерна часто сплощені, мають заокруглені обриси і орієнтовані в одному напрямку паралельно одне одному. Структури цих порід кристалобластичні: вони формуюються у процесі перекристалізації гірської породи в твердому стані (бластез). При цьому ріст мінеральних утворень часто відбувається в умовах орієнтованого тиску в напрямку, перепендикулярному до напрямку тиску. Це обумовлює виникнення сланцюватості багатьох метаморфічних порід.

Важливою діагностичною ознакою метаморфічних порід є їхня текстура, яка може бути сланцюватою, смугастою, плойчастою, круглястою, плямистою, масивною. У породах зі сланцюватою текстурою зерна мінералів мають пластинчасту і видовжену форму і розташовуються взаємно паралельно. Смугаста текстура характеризуєтьс чергуванням паралельних смуг різного мінерального складу, які часто відрізняються і за кольором. Плойчаста текстура виражається у розвиненні мікроскладок та дрібного гофрування окремих смужечок-прошарків. Для круглястої текстури характерні округлі чи злегка витягнуті в одному напрямку порфіровидні виділення окремих мінералів серед більш дрібнозернистої основної маси породи. Плямиста (вузлувата) текстура виражається у появі в початково глинистих породах округлих або видовжених виділень нових мінералів (графіту, слюди, силіманіту, польових шпатів тощо). Масивна текстура характеризується рівномірним просторовим розташуванням мінеральних утворень, відсутністю будь-якої сланцюватості, смугастості і т.п.

Сланцювата і плямиста текстури характерні для різних метаморфічних сланців; смугаста, плойчаста і кругляста - для гнейсів; масивна - для мармурів, кварцитів і роговиків.

Умови залягання метаморфічних порід залежать від умов залягання тих вихідних порід, з яких вони утворилися, однак вирішальне значення при цьому має тип метаморфізму. Під час регіонального метаморфізму охоплюються великі області, тому метаморфічні породи тут складають крупні масиви, товщі, формації. Локальний (місцевий) метаморфізм охоплює окремі ділянки, зони, по мірі віддалення від яких спостерігається поступовий або різкий перехід від порід метаморфічних до вихідних.

Осадочні породи. Тут ми розглянемо пухкі незв`язні породи (піски, галечники та ін.) і м`які зв`язні - глинисті породи (глини, суглинки, супіски). Це породи осадочного походження - морські, лагунні й континентальні малого і гранично малого ступеня літифікації. Вони всі складають більше від 70% осадочної оболонки земної кори, зустрічаються повсюдно, але головним чином серед четвертинних порід і тому часто використовуються як основа споруд, середовище для них і як природний матеріал для будівництва.

З інженерно-геологічної точки зору ці породи відрізняються від інших осадочних порід особливим складом, властивостями і великою мінливістю фізичного стану. Серед них зустрічаються різновиди з підвищеною щільністю (густиною), пухкі й м'які зі зниженою щільністю і міцністю, а деякі глинисті породи поводять себе як в'язкі рідини з гранично малою міцністю. Під час будівництва на пухких незв'язних і особливо на глинистих породах можуть виникати значні за розмірами і тривалі в часі осідання споруд, їх зрушення, великої сили гірничий тиск у підземних виробках та інші явища, котрі викликають деформації споруд.

Пухкі незв`язні породи складають велику групу уламкових (грубодисперсних) осадочних утворень. Характерною їх особливістю є пухкість (сипкість), тобто відсутність зв'язків між частками, з яких ці породи складаються. Петрографічно пухкі незв`язні породи представлені різними пісками; гравелистими, щебнястими породами; галечниками. Тобто це породи, які є продуктами головним чином фізичного руйнування (дезінтеграції) скельних і напівскельних гірських порід та наступних процесів механічної диференціації, сортування, стирання в субаквальних і субаеральних умовах. Для утворення деяких піщаних порід, наприклад, чистих кварцових пісків, необхідним є розвиток хімічного розкладення нестійких мінералів вихідних гірських порід, котрі сприяють збагаченню пісків кварцом.

Мінеральний і петрографічний склад піщано-галькових порід визначається складом вихідних порід і ступенем диференціації та сортування продуктів їх руйнування. Властивості цих порід і їх деформаційність залежать головним чином від щільності будови. Розрізняють породи пухкої, середньої і щільної будови.

М`які зв`язні (глинисті) породи - це широка група тонкодисперсних осадових порід, що займає проміжне становище між типовими уламковими і хемогенними породами. Для них характерна присутність у складі значної кількості тонкодисперсних часток (розміром менше від 0,002 мм), що складаються переважно з глинистих мінералів.

Серед глинистих порід розрізняють власне глини і різноманітні глинисті породи. Глинами в інженерно-геологічній практиці називають тонкодисперсні осадочні породи, в яких міститься не менше 30% часток діаметром менше від 0,002 мм. Вони наділені зв'язністю і пластичністю в природному стані або при штучному зволожені водою, а після висихання зберігають надану їм форму. З усіх відомих ознак глин ці ознаки є найстійкішими й такими, що легко встановлюються.

До глинистих порід слід відносити породи, подібні до певної міри за складом і властивостями до глин. Але головною особливістю глинистих порід, на відміну від власне глин, є вміст значної кількості домішок (грубодисперсних часток, карбонатної або вуглистої речовини та ін.), ступінь ущільненості та фізико-хімічної зміненості, засоленість або деякі текстурні ознаки.

Різноманіття петрографічних типів піщаних, грубоуламкових і глинистих порід пов'язане з різними і своєрідними умовами їх накопичення й подальшого перетворення.

За умовами утворення піщано-галькові й глинисті породи можуть бути континентальними, лагунними і морськими. Кожна з цих фаціальних груп у свою чергу може бути поділеною на дрібніші генетичні групий типи. Схема такого поділу виглядає наступним чином: континентальні породи: 1) елювіальні - різноманітні продукти вивітрювання гірських порід, що залишилися на місці (in situ), 2) делювіальні - накопичуються головним чином на схилах і в їх основі, а також у понижених ділянках вододілів у результаті змиву дощовими і талими водами пухких продуктів вивітрювання з більш високих ділянок, 3) колювіальні - накопичення грубоуламкового матеріалу на похилих ділянках вододілів, на гірських схилах і в їх основі; це накопичення обвалів, осипів, розсипів, в результаті переміщення продуктів вивітрювання і руйнування гірських порід під впливом власної ваги на невеликі відстані (продукти ближнього перевідкладення), 4) алювіальні - всілякі річкові утворення, що складають древні й сучасні тераси річкових долин і русла річок, 5) пролювіальні - осадки, утворені сельовими потоками гірських річок або тимчасовими потоками, які виникають в період інтенсивних атмосферних опадів чи танення снігів і льоду в горах, 6) льодовикові - різноманітні моренні відклади, 7) водно-льодовикові - до них належать флювіогляціальні (потоки талих льодовикових вод) та озерно-льодовикові, 8) озерні, 9) болотні, 10) еолові - пов`язані з акумулятивною діяльністю вітру, 11) техногенні; лагунні породи: 1) власне лагунні, 2) дельтові, 3) естуарієві; морські породи: 1) неритові, або мілководні, що відкладаються на глибині до 200 м, - осадки шельфу, 2) батіальні, що відкладаються на глибині від 200 до 2000-3000 м, - осадки континентального схилу, 3) абісальні, що відкладаються на глибині, більшій 3000 м, - осадки ложа Світового океану.

З наведеного опису основних генетичних типів пухких незв'язних і м'яких зв'язних відкладів можна зробити висновок про те, що їх утворення в кінцевому рахунку зводиться до акумуляції уламкового і тонкодисперсного матеріалу, який утворюється в результаті фізичних і хімічних процесів руйнування початкових гірських порід. Генетичні типи визначають міцність порід під час впливу на них навантаження, стійкість на схилах, в укосах, у стінках котлованів, у підземних виробках, а також зумовлюють спосіб їх розробки та будівельну категорію. За геолого-петрографічними ознаками порід визначають методику, склад і об'єм лабораторних, розвідувальних і дослідних робіт під час інженерно-геологічних досліджень.

Запитання для самоконтролю.

1. Яким чином літологічні і петрографічні дослідження пов`язані з інженерно-геологічною оцінкою місцевості?

2. Для яких інженерно-геологічних завдань використовується визначення літологічного складу гірських порід?

3. Які завдання інженерної геології розв'язуються за допомогою вивчення петрографічних особливостей порід?

4. На які властивості гірських порід впливає шаруватість?

5. Наведіть приклади впливу деяких мінералів на властивості гірських порід.

6. Дайте петрографічну характеристику : а) магматичних гірських порід; б) метаморфічних гірських порід; в) осадочних гірських порід.

2.4 Інженерно-геологічна оцінка гідрогеологічних умов місцевості

Підземні води і гірські породи утворюють єдину динамічну систему, яка постійно змінюється. Підземні води визначають у значній мірі розвиток геологічних процесів. Це могутній хімічний і фізичний чинник, який змінює стан гірських порід. Наприклад, в результаті обводнення зменшується міцність, зростає деформаційність і швидкість проходження сейсмічних хвиль, вага масиву, стає можливим виникнення гідростатичного і гідродинамічного тиску, тобто підземні води виступають уже як силовий чинник.

В інженерній геології підземні води, які перебувають у зв`язаній та вільній формах, вивчаються та оцінюються за такими напрямками.

За впливом ступеню і режиму (сезонного та багаторічного) обводнення масивів порід на їх стан, механічні властивості і на розмивність. Поперемінне зволоження і зневоднення порід, в першу чергу глинистих, справляє руйнівний вплив на їх структурні зв`язки (розм`якшення, вилуговування), які сформувалися під час літогенезу. В результаті початково досить міцні породи вивітрюються, розщільнюються. В багато разів знижується їх несуча здатність та опір зсуву, зростає розмивність; створюються несприятливі інженерно-геологічні умови.

За безпосереднім і різноманітним впливом на розвиток карстових, просадочних, зсувних та інших процесів. Під час руху води у породах, особливо в тріщинах, що містять пухкий заповнювач, при досить значних швидкостях виникає механічна суфозія. Далі вона за певних умов переростає в процеси підземного розмивання. Наприклад, це може відбуватися у системі великих карстових порожнин і каналів. У лесовидних пилуватих і пухких глинистих утвореннях також можуть формуватися канали і пустоти ("глинистий карст"). Інтенсивність водообміну, витрати і агресивність підземних вод визначають карстові процеси у карбонатних, гіпсових і соляних відкладах.

За гідромеханічним впливом підземних вод на гірські породи. Це проявляється: а) у підважувальному (знизу вгору) тиску напірних вод на менш водопроникну пачку порід, яка залягає вище і має вагомий вплив на утворення крупних зсувів; б) у вигляді гідродинамічного тиску, що виникає під час швидких і значних знижень рівнів річок після повеней, на водосховищах, при відкачуваннях води з котлованів, кар`єрів та підземних виробок, а також інтенсивному штучному обводненні; в) у вигляді гідростатичного тиску. Це набуває особливого значення, наприклад, у випадку фільтраційної анізотропії масиву порід, коли водопроникність у вертикальному напрямку по великих тріщинах, розломах чи карстових каналах суттєво перевищує горизонтальну і не забезпечується швидке відтікання та дренування інфільтраційних вод. За певних умов відбувається випирання і злам дна виїмки, а також механічна суфозія заповнювача з тріщин чи тонких фракцій з піщано-уламкових відкладів.

Агресивність підземних вод стосовно різних гірських порід, бетонних споруд і металевих конструкцій залежить від їх хімічного і газового складу, температури, вмісту бактерій і від зміни цих характеристик по сезонах і протягом багатьох років.

Водний баланс масивів порід, в яких відбуваються геологічні процеси (карстові, зсувні, просадові, суфозійні), необхідний для кількісного прогнозу їх інтенсивності у часі та для обгрунтування ефективності дренажних та інженерних захисних заходів. Тут слід зазначити, що визначення водного балансу порівняно легко здійснити для невеликих обмежених масивів порід, хоча визначення його складових становить важке завдання: потрібні спеціальні режимні клімато-гідрологічні і гідрогеологічні спостереження.

Динаміка і режим підземних вод, як у природних умовах, так і в змінених техногенними чинниками, є важливими питаннями інженерно-геологічних вишукувань. Ці дані дозволяють розв'язати наступні питання: підтоплення територій; прогноз фільтрації на ділянках гребель і з каналів та водосховищ; оцінка водопритоків у підземні виїмки, шахти і т.п.; оцінка стійкості бортів кар`єрів і природних схилів.

Вивчення процесів розмивання і вилуговування здійснюється в лабораторії на зразках порід великих розмірів, в яких створюються тріщини із заповнювачем, а градієнти фільтрації імітують існуючий або природний потік. Ефективність експериментів не завжди задовільна через явища на вході і виході води з тріщин та ін. Вірогіднішими є результати натурних дослідів, що неодноразово виконувалися на ділянках гребель за різними схемами.

Пом`якшення структурних зв`язків у породах, вилуговування і безпосереднє розмивання фільтраційним потоком по зонах і контактах послаблення всередині масиву часто призводять до тяжких наслідків та катастроф (руйнування гребель, прориви води і пливунів у шахти і т.п.).

Необхідно приділяти увагу вивченню процесів кольматації: наприклад, закольматованість алювію або тріщинуватої зони під древніми і сучасними руслами річок утворює шар із значно меншою водопроникністю. Через це часто відбувається "відрив" рівня підземних вод від річкових. Така фільтраційна неоднорідність порід може виявитися позитивним моментом при прогнозі притоків річкових вод до шахт і котлованів.

Важливим елементом вивчення підземних вод району майбутніх споруд є складання узагальненої гідрогеологічної схеми. По можливості вона об`єднується зі схемою співвідношення четвертинних відкладів і геоморфологічних елементів. На такій схемі показується розповсюдження підземних вод у різних комплексах порід, ймовірні шляхи їх руху і перетікання, напори і місця розвантаження. Бажано дослідити і вказати узагальнені характеристики мінералізації вод окремих комплексів.

Запитання для самоконтролю.

1. Яким чином обводнення впливає на стан і властивості гірських порід?

2. За якими напрямками вивчаються підземні води в інженерній геології?

3. Поясніть, у чому полягає гідромеханічний вплив на гірські породи.

4. В чому полягають відмінності між гідродинамічним, гідростатичним та підважувальним тиском води в гірських породах?



Розділ 3. Фізико-геологічні та інженерно-геологічні процеси і явища, принципи класифікації і загальна характеристика

Геологічні процеси проявляються в утворенні і руйнуванні гірських порід, у зміні їх фізичного стану і умов залягання, у формуванні й зміні рельєфу земної поверхні, будови земної кори і внутрішньої структури Землі в цілому. Всі геологічні процеси становлять великий інтерес в інженерному аспекті з зв`язку з їх впливом на стійкість місцевості і відповідно на стійкість існуючих, запректованих і споруд, які будуються (міст, будівель, мостів, гребель, доріг, тунелів, аеродромів, шахт, кар`єрів тощо).

Виникають проблеми будівництва споруд у районах розвитку абразії та ерозії, на просадочних лесових породах, в карстових, зсувних, сейсмічних районах, в зоні поширення багаторічної мерзлоти і т.д.

Умови будівництва на таких територіях особливі, вони регламентуються спеціальними будівельними нормами і правилами, особливими принципами, необхідністю дотримуватися обережності і певних обмежень. Необхідно також вдаватися до певних заходів для забезпечення стійкості споруд і нормальних умов їх експлуатації.

Вивченням і розробкою таких проблем та питань займається інженерна геодинаміка. Кінцевими завданнями інженерної геодинаміки слід вважати розробку наукових основ і методів управління геологічними процесами та раціонального використання надр Землі. Відповідно до цього інженерна геодинаміка вивчає і розробляє:

закономірності поширення різноманітних (головним чином екзогенних та деяких ендогенних) геологічних процесів і явищ, що відбуваються на поверхні Землі та у верхніх горизонтах земної кори;

закономірності виникнення геологічних процесів і явищ, пов`язаних з інженерною діяльністю людини;

динаміку розвитку різних геологічних процесів і явищ, форми їх проявів і обумовленість різними природними та штучними факторами;

якісні і кількісні методи оцінки можливого впливу геологічних процесів на стійкість територій, споруд і умови їх експлуатації;

теоретичні основи прогнозування загрози геологічних процесів і явищ, в тому числі стихійних, з метою керування їх розвитком, локалізації розповсюдження, попередження виникнення та захисту від їх шкідливого впливу;

методику інженерно-геологічних досліджень для обгрунтування проектів захисних інженерних заходів та необхідність їх здійснення.

Вперше класифікацію інженерно-геологічних процесів і явищ запропонував Ф.П. Саваренський (1937), вона була розглянута вище у розділі 2.

Геологічні процеси залежно від джерел енергії, що їх викликають, і місця проявів можуть бути ендогенними або екзогенними. Екзогенні процеси пов`язані з внутрішніми силами Землі. Їх дія проявляється у тектонічних рухах (древніх, новітніх і сучасних), у сейсмічних і вулканічних явищах.

Ендогенні процеси сприяють збільшенню контрастності рельєфу, величини його градієнтів, вони створюють найбільші форми рельєфу Землі і тим самим умови для розвитку багатьох екзогенних процесів. Екзогенні процеси обумовлені зовнішніми силами, які діють неоднаково в різних кліматичних і фізико-географічних умовах під впливом енергії тепла і світла Сонця та гравітаційних сил.

Екзогенні процеси, навпаки, зменшують енергію рельєфу, його градієнти, нівелюють нерівності земної поверхні. Це відбувається послідовно і закономірно (етапами, стадіями, фазами). Послідовно знижується інтенсивність і швидкість цих процесів. Але маючи в цілому спрямований характер розвитку, екзогенні процеси діють нерівномірно: затухають, призупиняються, поновлюються, проявляються катастрофічно. При цьому вони порушують стійкість місцевості і споруд, постійно загрожують інженерній діяльності людей.

Свого часу відомий геолог академік М.М. Страхов писав: "Рельєф сам по собі не є величина самостійна, він - похідна від режиму епейрогенічних рухів". Інтенсивні коливальні рух земної кори створюють гірський рельєф, а ледве відчутні - рівнинний. Таким чином, темп і характер розвитку екзогенних геологічних процесів у межах певної місцевості значною мірою залежать від клімату і тектонічного режиму, що діє через рельєф. В цьому проявляється взаємодія і протиріччя зовнішніх і внутрішніх сил у розвитку геологічних процесів і явищ, вони є причинно обумовленими. Однак ці протиріччя - не єдина рушійна сила їх розвитку. Багато ендогенних і екзогенних процесів отримують свій розвиток незалежно один від одного, хоча й проявляються в одній і тій же області (наприклад, морозне пучіння і сейсмічні явища).

Геологічні процеси виникають за наявності певних невідповідностей (протиріч), наприклад:

мінерального складу гірських порід - геохімічним умовам оточуючого середовища;

напруженого стану гірських порід - їх граничній рівновазі;

щільності й пористості гірських порід - величині діючих навантажень;

ступеня літифікації гірських порід - величині діючих гравітаційних і геохімічних сил;

розм`якшуваності і розмивності гірських порід - швидкостям водних потків та ін.

Ці невідповідності (протиріччя) і передбачають природну неминучість виникнення геологічних процесів і явищ, вони є рушійною силою їх розвитку.

Кожний екзогенний геологічний процес призводить до утворення відповідного генетичного типу континентальних і морських відкладів. Отже, потрібно розрізняти процес, включаючи фактори, що його обумовлюють, і результат - явище, у вигляді відповідних новоутворених порід і елементів рельєфу (денудаційних і акумулятивних форм).

Найважливішою особливістю геологічних процесів є нерівномірність їх проявів на земній поверхні в межах різних регіонів, областей і регіонів. Це пояснюється особливостями кліматичних, фізико-географічних умов, рельєфу, поширення певних комплексів гірських порід і розташуванням тектонічних структур.

Відомо, що кожний геологічний процес досягає максимального розвитку лише в строго визначених кліматичних і фізико-географічних умовах. Наприклад: інтенсивне підмивання і руйнування берегів морів, озер і водосховищ відбувається головним чином у періоди дії інтенсивних і тривалих вітрів переважного напрямку, характерних для району, що розглядається. Ерозійна діяльність річок, як і сельові потоки, - найрізкіше проявляються в періоди повеней і паводків, пов`язаних з періодами дощів, інтенсивного танення снігів і льоду. Поширення боліт і заболочування територій спостерігаються частіше в районах з вологим і надлишково вологим кліматом, а еолові процеси характерні для районів різко континентального сухого арідного клімату пустельі напівпустель.

Геологічні процеси тісно пов`язані і з особливостями рельєфу. В умовах гірського рельєфу і на ділянках високих і крутих схилів широко розповсюджені різні гравітаційні явища - обвали, осипи, зсуви, снігові лавини та ін. Тільки в гористих місцевостях утворюються селі. Тут у річкових долинах глибинна ерозія переважає над боковою, а корозійні процеси (карст) поширюються на великі глибини (сотні і тисячі метрів). На рівнинних місцевостях частіше спостерігаються явища заболочування територій, еолові явища, просадки в лесових породах. Тут у річкових долинах бокова ерозія переважає над донною або ж відбувається акумуляція пухкого матеріалу. Карст зазвичай поширюється лише на десятки метрів.

Геологічні процеси також тісно пов`язані з певними комплексами гірських порід. Карст карбонатний, сульфатний чи соляний має місце лише там, де поширені карбонатні й галогенні породи. Зсувні явища можуть зустрічатися в будь-яких гірських породах, але частіше вони пов`язані з глинистими породами. Еолові процеси мають розвиток в місцях залягання незв`язних, піщаних порід; просадкові - в районах лесових відкладів.

Отже, можна сказати, що розповсюдження різних геологічних процесів дійсно контролюється кліматичними, геоморфологічними, петрографічними і тектонічними чинниками. Прояви кожного з геологічних процесів на тій чи іншій території залежить від переважної дії якої-небудь однієї або декількох основних причин.

3.1 Інженерно-геологічна класифікація процесів і явищ

На сьогодні в цьому відношенні існують класифікації загальні, регіональні, часткові і спеціальні. Загальні класифікації геологічних процесів і явищ мають переважно методологічне значення.

У практичному відношенні заслуговують на увагу, як більш конкретні, регіональні класифікації геологічних процесів. Вони стосуються території, в межах якої поширене обмежене число стратиграфо-літологічних комплексів порід. Регіональні класифікації характеризуються певними рисами геологічної історії і клімато-гідрологічними факторами.

Часткові класифікації характеризують один геологічний процес у даному районі (карст, зсуви, просадки та ін.).

Спеціальні класифікації передбачають оцінку процесів стосовно конкретних споруд чи використання території. Їх потрібно розглядати як подальше уточнення регіональних класифікацій.

Всі геологічні та інженерно-геологічні процеси виникають і змінюються під впливом різнохарактерної дії і режиму: глибинних тектонічних процесів; напружено-деформованого стану масивів порід і зміни їх властивостей; термічних умов у верхній частині земної кори і на її поверхні; гідрогеологічних умов; поверхневих вод (гідрологічний фактор). Така багатофакторність розвитку геологічних процесів (природних, техногенних та їх сполучення) є їх характерною особливістю. Тому під час класифікування доцільно об`єднувати процеси за ознаками дії основних (або групи) факторів.

В розвитку геологічних та інженерно-геологічних процесів і явищ необхідно виділяти головні діяльні чинники і основні елементи середовища, які взаємодіють між собою або з іншими чинниками, зі спорудами і будівельними роботами. Залежно від значення, діяльні чинники можуть бути головними "причиною" і "приводом", своєрідним поштовхом, який безпосередньо провокує виникнення явища в потенційно підготовленому середовищі. Часто один і той же чинник (підземні води, сейсмічність) в одних випадках є компонентом середовища, а в іншому - діяльним, в тому числі "силовим", чинником. Підземні води, насичуючи породи, викликають зниження їх міцності або розчиняють, що призводить до зсувів, розмивання всередині товщі й закарстованості масиву.

При обводнені міцних тріщинуватих порід швидкість проходження в них сейсмічних хвиль зростає. Це може позначитися на порушенні стійкості масивів і на спорудах. В той же час, підземні води діють як "силовий фактор", створююючи зважуючий і гідродинамічний тиск на породи.

Прогноз зміни інженерно-геологічних умов території повинен грунтуватися на вивченні та аналізі існуючих умов, які є результатом історії її геологічного розвитку. Отже, перш за все, потрібно користуватися методом природничо-історичного аналізу - геологічним методом вивчення стратиграфії відкладів, їх петрографічних особливостей, тектоніки та ін. Такий аналіз, як правило, дозволяє встановити причини і умови, внаслідок яких стає можливим виникнення і розвиток геологічних процесів.

Вивчення інженерно-геологічних умов повинно передбачати, крім геологічного опису, також кількісну оцінку процесів і явищ. Для цього широко використовується експериментальний метод. Лабораторні і польові дослідні роботи та стаціонарні спостереження дуже широко застосовуються в практиці інженерно-геологічних досліджень.

Використовується і метод аналогій - метод геологічної подібності. У цьому випадку висновки про геологічні умови розвитку тих чи інших процесів роблять на основі порівняння з умовами, подібними до вже вивчених.

Для вивчення механізму, фізики процесу і динаміки його розвитку широко застосовується метод моделювання. Моделюються руслові, хвильові, гравітаційні, корозійній та інші процеси.

Імовірно-статистичний метод зводиться до встановлення імовірності прояву різних процесів і їх кореляційних зв`язків з різними природними або штучними причинами та іншими явищами. Крім того, цей метод до деякої міри дозволяє обгрунтувати достовірність і надійність прогнозу.

Нарешті, найважливішим методом прогнозу інженерно-геологічних процесів і явищ є метод розрахунково-теоретичний. Ним користуються тоді, коли накопичився необхідний фактичний матеріал для обгрунтування розрахункової схеми (детальний геологічний розріз) і є розрахункові дані. За допомогою цього методу успішно розв`язуються різні завдання, зокрема, прогноз стійкості схилів, укосів, зсувів, підземних виробок, величини і швидкості підмивання і руйнування берегів, швидкості розвитку корозійних процесів тощо.

Отже, прогноз геологічних процесів і явищ повинен бути комплексним і обгрунтованим, з урахуванням усієї сукупності природних геологічних і штучних умов і на знанні механізму та закономірностей динаміки їх розвитку.

Запитання для самоконтролю.

1. Назвіть питання і проблеми, котрими займається інженерна геодинаміка.

2. В чому полягають відмінності між ендогенними і екзогенними процесами?

3. Наведіть приклади невідповідностей (протиріч), що ведуть до виникнення геологічних процесів.

4. З якими природними чинниками пов`язані геологічні процеси?

5. Охарактеризуйте основні методи прогнозу інженерно-геологічних процесів і явищ.

3.2 Вивітрювання гірських порід і основні його чинники

Під процесами вивітрювання більшість дослідників розуміють сукупність фізичних, фізико-хімічних та біохімічних процесів, які змінюють склад, стан і властивості гірських порід у верхній частині земної кори під впливом коливань температури, підземних вод, діяльності організмів і техногенних факторів.

Процеси вивітрювання, руйнуючи гірські породи, формують новий генетичний тип континентальних відкладів - елювій різного віку, фацій і умов залягання. На всіх стадіях інженерно-геологічних досліджень і для різних видів будівництва вивчаються процеси розущільнення і вивітрювання порід і сформовані ними елювіальні утворення.

Основними питаннями в цьому напрямку є наступні:

встановлення будови і закономірностей поширення зон і горизонтів вивітрювання в різних породах і тектонічних розривах, на різних геоморфологічних елементах і в мікрокліматичних умовах;

обґрунтування віку елювію і характеристика швидкостей процесів вивітрювання у порівнянні з інтенсивністю процесів знесення в різних породах і умовах, а також оцінка зміни властивостей і стану порід в часі під їхнім впливом;

встановлення зовнішніх ознак і класифікаційних показників стану і властивостей порід з різним ступенем вивітрілості та виявлення кореляційних зв`язків із геофізичними характеристиками (наприклад, зі швидкістю пружних хвиль);

розробка регіональної схеми розчленування кори вивітрювання на зони і горизонти з характеристикою фізико-механічних і фільтраційних властивостей порід;

виявлення приуроченості зсувів, обвалів, осувань різних типів і об`ємів до зон вивітрювання різного віку, будови і потужності;

оцінка порід різного ступеня вивітрілості стосовно їх опору ерозійному і абразійному розмиванню, розвитку процесів вилуговування і карсту, осипанню, спливанню і стійкості у відслонених укосах і схилах;

на підставі детального інженерно-геологічного вивчення розрізу кори вивітрювання оцінка деформаційних властивостей по різному вивітрілих порід. Це необхідно для визначення глибини їх зняття в основі споруд або для вибору заходів укріплення різними методами;

встановлення можливості використання по різному вивітрілих порід як будівельних матеріалів при зведенні земляних споруд (дамб, гребель, насипів), для створення протифільтраційних завіс.

Дія сонячних променів на породи залежить від інтенсивності випромінення, довжини хвилі променів, характеру й кольору поглинаючих поверхонь. Інтенсивність і довжина хвиль сонячного випромінювання, яке отримує земна поверхня, залежить перш за все від географічної широти місцевості, висоти її над рівнем моря, висоти сонцестояння, товщини шару і стану атмосфери (вміст водяних парів, атмосферний пил, азон і т.д.).

Коливання температури обумовлює ряд фізичних процесів, що впливають на фізико-механічні властивості гірських порід: теплова зміна об`єму мінералів і гірських порід, а також води і газів, що містяться у породах; випаровування і конденсація вологи; прискорення або уповільнення хімічних реакцій.

При нагріванні мінерали і породи змінюють свій об`єм. Величина зміни об`єму при нагріванні неоднакова не лише у різних порід і мінералів, але й у одного і того ж мінерала вздовж різних кристалографічних осей. В зв`язку з цим у полімінеральній гірській породі, особливо на межі стикання окремих мінералів, величина розширення буде неоднаковою у різних точках моноліту. Тому породи, які складаються з багатьох мінералів, виявляють менший опір температурному впливу і легше розпадаються на окремі мінерали.

Вода, що замерзає, завдяки збільшенню об`єму створює розклинюючий тиск як між окремими брилами, так і між елементарними частками породи: руйнує структуру породи, збільшує в ній вміст дрібних часток, зменшує її міцність, знижує несучу здатність і змінює фільтраційні властивості.

При випаровуванні вологи (висушуванні) відбувається розтріскування рихлих гірських порід через усідання (зменшення об`єму). Випаровування вологи у посушливих безстічних районах викликає засолення верхніх зон земної кори. Це надає породам специфічних фізико-хімічних властивостей (солончаки, солонці, інкрустація пор і т. ін.).

Склад атмосфери досить різноманітний, але з усіх її складових найбільшу роль у процесах вивітрювання відіграє кисень. Окислювально-відновні процеси за участю кисню викликають різноманітні зміни гірських порід. Найпоширеніший у природі процес - окислення вуглецю з утворенням вуглекислоти (під час дихання організмів і гниття вуглецевих речовин). Вуглекислота в підземних водах збільшує їхню розчинну здатність, сприяючи більш інтенсивному розчиненню мінералів і гірських порід.

Складний процес взаємодії між гірськими породами і газоподібними агрегатами вивітрювання призводить до утворення нових мінеральних сполук (вторинні мінерали або мінерали вивітрювання). Таких мінералів досить багато і всі їх можна розділити на 3 групи:

розчинні у воді (гіпс, кальцит);

нерозчинні у воді (монтморилоніт, каолініт, серицит, галуазит, опал, лимоніт, боксит і т.п.);

різні органічні сполуки.

Вода бере участь у переважній більшості процесів вивітрювання. Вода у твердому стані інколи безпосередньо впливає на ці процеси, а інколи є їх безпосереднім чинником. Наприклад, сніговий покрив до деякої міри регулює глибину і інтенсивність промерзання порід, впливаючи і на діяльність живих організмів. Вода, яка тече по поверхні землі, крім подрібнювальної дії, зв`язаної з процесами денудації, сприяє вилуговуванню водорозчинних солей і подальшій зміні фізико-механічних властивостей вивітрілої породи.

Підземна вода є своєрідним регулятором тепла, а також потужним механічним руйнівником, що обумовлює процеси суфозії і кольматації. Вода, особливо слабко мінералізована, проникаючи в гірські породи, розчиняє їх, створює розклинюючу дію, понижує концентрацію електролітів у підземних водах, а отже, призводить до пом`якшення колоїдних плівок, що огортають частки гірських порід.

...