Інженерна геологія

Велику роль у вивітрюванні відіграють живі організми. Вони справляють як хімічний, так і механічний вплив на гірські породи. Механічну дію виконує коренева система рослин (розклинювання) і різноманітні землерийні тварини. Крім цього, органічні речовини, що виділяються живими організмами, або розкладають гірські породи, або ж збагачують їх різними речовинами (наприклад: порода, перероблена черв'ячками, збагачується на вапно - карбонатні сполуки).

Всі зміни, що їх зазнають породи у процесі вивітрювання, можна об`єднати в наступні основні групи:

подрібнення порід;

цементація порід;

розкладення первинних мінералів;

утворення вторинних мінералів;

зволоження або висушування порід.

Зазвичай перетворення гірських порід супроводжується істотними змінами їх фізико-механічних властивостей. Наприклад, спостереження показали, що в глинах, аргілітах, тонкозернистих пісковиках і мергелях позмінне зволоження і зневоднення мають більше значення для руйнування цих порід, ніж така сама кількість циклів замерзання і відтанення.

3.2.1 Шляхи проникнення агентів вивітрювання в земну кору

Проникнення агентів вивітрювання в земну кору залежить не лише від властивостей середовища, а й від їхнього стану. За станом їх можна розділити на наступні групи: 1) такі, що перебувають у формі променевої енергії; 2) газоподібні; 3) рідкі; 4) живі організми.

Проникнення агентів вивітрювання у земну кору може відбуватися наступним чином:

по пустотах, які є в гірських породах;

безпосередньо по мінеральних складових гірських порід;

по пустотах і мінеральних тілах одночасно.

Пустоти в гірських породах за розмірами можна розділити на 3 групи: некапілярні, капілярні, субкапілярні.

Некапілярні пустоти можуть бути тріщинами різного походження, тектонічними розломами, карстовими порожнинами. Їхні розміри мають бути не менше 0,5 мм при трубкоподіній формі і 0,25 мм, якщо вони мають форму тріщин. В такі пустоти легко проникають на значні глибини вода і гази, порівняно глибоко - тверді частки і живі організми. Крім того, по таких пустотах добре проходить теплова енергія.

Капілярні пустоти - їх розміри коливаються від 0,5 до 0,0002 мм для трубкоподібних і від 0,25 до 0,0001 мм для тих, що мають форму тріщин. Такі пустоти містяться в пісках, деяких пісковиках, вапняках. Пересування води і газів у цьому випадку ускладнене. Живі організми і теплова енергія можуть проникати на глибину від кількох до десятків метрів.

Субкапілярні пустоти. Їх розміри становлять менше від 0,0002 мм для трубкоподібних і менше 0,0001 мм для тріщинних форм. Такі пустоти властиві головним чином для глинистих порід. Проникнення води і газів у такі породи можливе лише шляхом дифузії і на незначні глибини. Практично ці породи слід вважати водо- і газонепроникними, якщо вони не розбиті тріщинами. Тепло і живі організми можуть проникати на значні глибини.

Іншим шляхом, по якому агенти вивітрювання проникають в земну кору, як було сказано вище, є мінеральні складові гірських порід. Зазвичай цим шляхом у гірські породи проникає сонячне тепло.

Вплив температурних коливань на гірські породи залежить від кліматичних умов місцевості, залягання порід, їх мінерального складу; ступеня, характеру і напрямку тріщинуватості та розсланцювання, обводненості та ін. Залежно від вказаних факторів, добові коливання температури можуть позначатися на глибині від декількох сантиметрів до приблизно 1 м. Річні коливання у деяких випадках відчутні на глибину до 30 м. Зміни гірських порід, пов`язані з коливанням температури, яскраво проявляються у зоні добових коливань температури, затухаючи з глибиною.

Проникнення в земну кору газів залежить від умов залягання порід, їх складу, тиску, зміни температури, дифузії, вологості та ін. Спостереження показують, що у некапілярні та капілярні пустоти гази можуть проникати на глибину до сотень метрів. В субкапілярні пустоти проникнення газів можливе за рахунок дифузії, і то на глибину всього декількох сантиметрів.

Вода, як відомо, проникає в земну кору на значні глибини. Живі організми проявляють свою активність на різних глибинах: коренева система рослин до глибини 30 см, частіше в межах декількох метрів, так само, як і землерийні тварини. Що стосується мікроорганізмів, то за наявності поживного середовища і сприятливих умов вони можуть проявляти свою життєдіяльність на глибинах, що перевищують 1000 м.

Слід зазначити, що в цілому вивітрювання порід відбувається на незначну глибину, приблизно до 10-15 м. Однак інколи доводиться спостерігати продукти вивітрювання порід на глибинах більше 100 м. З одного боку, такі глибокозалягаючі продукти вивітрювання можуть належати до древніх, пізніше (після їх утворення) перекритих іншими осадками. Такі кори вивітрювання можна зустріти на будь-яких глибинах, причому в більшості випадків процес вивітрювання цих порід зупинився, тому що породи, які залягають вище, ізолювали їх від агентів вивітрювання. Однак процес вивітрювання древніх кор може поновитися, якщо будуть зняті породи, що залягають вище, і доступ агентів вивітрювання до древніх кор буде відновлений.

З іншого боку, на значній глибині можуть перебувати і сучасні продукти вивітрювання внаслідок проникнення агентів вивітрювання на великі глибини.

У ряді випадків практичний інтерес становить визначення швидкості вивітрювання порід і допустимих термінів залишення у відкритому стані будівельних котлованів і виїмок без застосування заходів захисту порід від вивітрювання. Довгий час було поширеним переконання, що вивітрювання гірських порід на відчутну для проектної споруди глибину відбувається в строки, які перевищують життя самої споруди. Однак досвід показує, що вивітрювання може протікати значно швидше. Наприклад, свіжі майкопські глини в укосі однієї з ділянок вивітрювалися на значну глибину і перетворювалися на жорству протягом декількох місяців, а подрібнення тих же глин на глибину 5-10 см відбувалося протягом декількох днів. Глини й пісковики апшеронського віку протягом одного місяця вивітрювалися і змінювали свої властивості на глибину 6-8 см, протягом п`яти місяців - на глибину 60-70 см, а за півтора роки - до 3 м. Крейдяні глинисті породи Поволжя (юрського віку) протягом року вивітрюються на глибину до 5,5 м. Тому вивчення швидкості вивітрювання під час будівництва споруд має дуже важливе значення.

3.2.2 Зони вивітрювання порід

Породи, що складають основу споруд, можуть у процесі вивітрювання сильно змінити свої фізико-механічні властивості і виявитися непридатними для будівництва. В таких випадках будівельники часто вдаються до зняття шару вивітрілих порід. Для визначення глибини зняття вивітрілих порід необхідно враховувати цілий комплекс наступних чинників:

конструктивні особливості і специфічні умови роботи споруди, яка проектується;

економічні розрахунки;

фізико-механічні властивості порід у різних зонах вивітрювання;

швидкість процесів вивітрювання;

характер і поширення вивітрювання по площі і на глибину.

Конструктивні особливості і специфічні умови роботи споруди, а також економічні розрахунки повністю встановлюються у процесі роботи над проектом, тому їх розглядати не будемо.

Основний результат процесу вивітрювання - це зміна ступеню подрібненості гірських порід, їх хіміко-мінерального стану і структури. Залежно від цих чинників різко змінюються і фізико-механічні властивості порід. Тому вони кладуться в основу оцінки необхідності зняття вивітрілих товщ. Для цього рекомендується розчленувати товщу вивітрілих порід на зони, в межах яких породи мали б характерні фізико-механічні властивості. Потім, оцінюючи ці властивості стосовно специфічних умов роботи споруди, можна визначити необхідність зняття тієї чи іншої зони вивітрилих порід.

М.В. Коломенський та І.С. Комаров пропонують користуватися наступною схемою розчленування товщі вивітрілих гірських порід (знизу вгору).

1. Монолітна зона. Ця зона відповідає такому стану материнських порід, коли вони ще не мають видимих ознак подрібненості, але вже зазнали розхитування зв`язків між частками під впливом агентів вивітрювання. Порода цієї зони за зовнішнім виглядом не відрізняється від неушкоджених материнських порід, але легко розколюється по прихованих площинах. Фізико-механічні властивості породи на цій стадії вивітрювання майже не відрізняються від властивостей материнської породи, за виключенням послабленого опору зсуву і стисканню.

2. Брилова зона. Для неї характерне виникнення тріщин вивітрювання, які розбивають породу на окремі брили, або розширення тектонічних тріщин. Хіміко-мінеральний склад породи в основному відповідає складу материнської породи; мінерали вивітрювання відсутні або їх дуже мало і вони містяться на поверхні тріщин. Фізико-механічні властивості порід цієї зони сильно відрізняються від властивостей порід монолітної зони. Породи брилової зони наділені найбільшою фільтраційною здатністю (порядку сотень метрів на добу). Опір стисканню і зсуву продовжує зменшуватися.

3. Зерниста (дрібноуламкова) зона. Зовнішній вигляд породи на цій стадії не має нічого спільного з виглядом материнської породи. Вона вся складається з дрібних уламків чи навіть окремих зерен. Шматки материнської породи розсипаються від дотику і складаються переважно з мінералів материнської породи, часто з великим вмістом мінералів вивітрювання. Інколи, наприклад при вивітрюванні пісковиків, вторинні розчинні солі, що є цементуючою речовиною, виносяться, і утворюється пісок. Фільтраційна здатність порід цієї зони у порівнянні з бриловою сильно знижується (до декількох метрів на добу); продовжує знижуватися опір зсуву і стисканню.

4. Зона тонкого подрібнення. Породи цієї зони характеризуються високим ступенем подрібнення. Складається вона переважно з мінералів вивітрювання, первинні мінерали тонко подрібнені і є домішками до вторинних. Коефіцієнт фільтрації практично дорівнює нулю (тисячні долі сантиметра на добу). Стисливість різко збільшується, опір зсуву зменшується. Порода набуває нових властивостей (пластичність, набрякання тощо).

Таким чином, породи кожної із зон вивітрювання наділені специфічними, властивими лише конкретній зоні, характеристиками.

Треба мати на увазі, що не обов`язково у межах одного розрізу чи навіть району повинні бути розвинені всі вказані зони вивітрювання порід. Наприклад, вилуговування цементуючої речовини пісковика може привести до утворення піщаної маси, характерної для зернистої зони, обминаючи монолітну і брилову. Крім того, частина порід розрізу може здуватися вітром, відноситися водою, осипатися під дією сили тяжіння, і тому розріз може починатися з порід, характерних для зон, що залягають нижче.

Під час вивчення вивітрілих порід необхідно оцінити хіміко-мінеральний склад материнської породи і продуктів її вивітрювання. Особливу увагу при цьому слід звертати на характеристику водорозчинних солей і склад глинистих мінералів. Склад, розподіл і кількість водорозчинних солей відіграватимуть істотну роль у випадку, якщо в процесі спорудження чи експлуатації будови в породи проникатиме вода. Наявність, склад, кількість і розподіл глинистих мінералів у значній мірі визначають фізико-механічні властивості порід і повинні оцінюватися залежно від особливостей майбутньої споруди.

Завданням геолога в цьому випадку є визначення глибини знімання порід. Часто, однак, немає необхідності видаляти зчеплені вивітрюванням породи. Треба знімати тільки породи, фізико-механічні властивості яких змінені вивітрюванням настільки, що вони становлять загрозу для стійкості споруди. В цьому випадку для визначення глибини знімання порід доцільно керуватися ступенем подрібнення порід і вмістом у них водорозчинних солей.

Якщо з точки зору подрібненості порода задовольняє умовам зведення споруди, а інші ознаки вивітрювання відсутні, то вона може бути нижньою межею знімання вивітрлих порід. Для різних видів будівництва глибина знімання порід буде мінятися, тому що для різних споруд припустимий неоднаковий ступінь подрібнення порід.

Треба мати на увазі, що знімання вивітрілих порід є досить трудомістким і тривалим процесом і не завжди потрібно прагнути до повного видалення тріщинуватих порід. У ряді випадків тріщини можуть бути зацементовані, забітуміновані, заглинизовані.

Становище дещо змінюється, коли в породі є водорозчинні солі. При зведенні гідротехнічних споруд, зв`язаних з фільтрацією води, ця особливість повинна бути вивчена та оцінена з точки зору можливості вимивання з порід водорозчинних солей. Якщо вміст солей незначний (десятки долей відсотка) і їх видалення не викликає істотної зміни фізико-механічних властивостей порід, то покрівля цієї породи також може служити нижньою межею глибини знімання вивітрілих порід.

Завчасно для всіх видів будівництва і для всіх інженерно-геологічних умов не можна дати єдиного показника, який визначає глибину знімання вивітрілих порід. Встановленню цієї глибини повинна передувати детальна оцінка інженерно-геологічних умов зведення споруд з урахуванням їх виду і конструктивних особливостей.

3.2.3 Вивчення вивітрювання для інженерно-геологічних завдань

Інженерно-геологічне вивчення вивітрювання порід здійснюється для розв`язання наступних практичних завдань:

вибору сприятливих ділянок для розташування споруд;

встановлення безпечного (з точки зору зміни порід у процесі вивітрювання) терміну залишення відкритими котлованів і виїмок;

визначення потужності захисного шару, який залишається над проектними позначками дна котловану;

встановлення товщини і характеру захисних покриттів для захисту порід від вивітрювання;

визначення категорій порід за ступенем роздробленості; вибір умов і способів виконання робіт у котлованах і виїмках;

розробка профілактичних заходів боротьби з вивітрюванням гірських порід на ділянках споруд.

Всі роботи доцільно розділити на чотири види:

1. Опис загальних ознак вивітрювання гірських порід і виділення характерних зон вивітрювання.

2. Спостереження за швидкістю процесів вивітрювання; ці спостереження виконуються тільки після встановлення характеру і зон вивітрювання з тим, щоб раціонально запланувати види аналізів і місця відбору проб.

3. Польові спостереження і лабораторні дослідження, необхідні для визначення глибини знімання вивітрилих порід.

4. Спостереження, що мають на меті вибір характеру і потужності захисних покриттів.

Лише 1 та 3-й види досліджень повинні виконуватися для всіх видів будівництва, якщо у межах ділянки будівництва є кора вивітрювання. Дослідження 2-го і 4-го видів виконуються порівняно рідко: для окремих великих котлованів, укосів, виїмок і т.п., коли термін залишення порід у відкритому стані досить тривалий (в укосах каналів, залізничих виямок).

Необхідність того чи іншого виду досліджень визначається у кожному конкретному випадку, з урахуванням інженерно-геологічних умов, типу споруди, терміну залишення порід у відкритому стані.

3.2.4 Зовнішні ознаки вивітрювання порід та їх опис

Складні процеси вивітрювання завжди ведуть до більш-менш істотної зміни зовнішнього вигляду гірських порід. Кожний з агентів вивітрювання залишає свої сліди впливу, за якими можна відновити історію процесів, що протікали в породі. Тому опис гірських порід під час вивчення процесів повинен бути детальним і всебічним.

До найбільш важливих зовнішніх ознак вивітрювання можна віднести: 1) колір і відтінок породи, 2) ступінь і характер її подрібненості, 3) мінеральний склад і 4) механічну міцність.

Як уже говорилося, процеси вивітрювання призводять до глибоких змін у складі гірських порід і утворення нових мінералів. Всяка зміна мінерального складу породи позначається перш за все на її забарвленні. У вивітрілих порід забарвлення змінюється зовсім, або ж набуває нових відтінків, зовсім невластивих породі у невивітрілому стані.

Під час опису породи в першу чергу фіксується її загальне забарвлення у сухому та вологому стані; описується зміна кольору і відтінку з глибиною, починаючи від денної поверхні; відмічається приуроченість того чи іншого кольору і відтінку до окремих прошарків породи; вказується наявність плям, патьоків і крапкового забарвлення. Слід звернути увагу на забарвлення поверхні і внутрішніх частин породи (декілька зразків розбиваються і описується характер зміни кольору від поверхні до центру зразка). Для опису кольору породи необхідно розробити і оглянути не один, а два-три десятки (!) на перший погляд однакових зразків, щоб цей опис відповідав не випадковому зразку, а породі в цілому. Опис кольору необхідно супроводжувати зарисовками, фарбуючи їх відповідно природним кольорам, або фотографіями.

Ступінь подрібненості породи за рахунок вивітрювання можна оцінювати за такою залежністю (С.Д. Воронкевич):

К_в = Е_в - Е_н, (3.1)

де Е_в - коефіцієнт пористості вивітрілої породи;

Е_н - коефіцієнт пористості практично невивітрілої породи.

Під час опису виділяються зони вивітрювання. Основною ознакою їх виділення є розмір і форма уламків і блоків, на які розбита порода, а також характер тріщин, якими вона розбита. Тому під час вивчення ступеня подрібненості слід детально описувати як уламки, що складають породу, так і тріщини, які її розбивають, по можливості вказуючи їх генезис. Описуючи блоки, уламки і шматки, слід відмітити їх склад, розміри, форму, взаємне розташування.

Процеси вивітрювання найчастіше проявляються у викритті і розширенні вже існуючих у породі тріщин і в утворенні нових тріщин вивітрювання. Вивчення ступеня розкриття тріщин в результаті вивітрювання слід починати зі встановлення системи тріщинуватості, розмірів тріщин і характеру їх заповнення в незачеплених вивітрюванням породах, тому що у верхній частині розрізу ця система ускладнюється появою сітки тріщин вивітрювання.

Слід звернути увагу і нарозподіл у породі інших пустот (каверн, жеод, каналів, пор) та відзначити їх форму, характер, приуроченість до певного складу порід, включень, певних умов залягання.

Зміна мінерального складу породи в результаті вивітрювання проявляється перш за все у зміні складу алюмосилікатної частини породи, а саме: первинні алюмосилікати (польові шпати, авгіти, рогові обманки та ін.) переходять у вторинні (каолініт, монтморилоніт, ілліт та ін.). Вторинні алюмосилікати утворюються в тонкоподрібненому (до колоїдного) стані і надають вивітрілій породі характерного глинистого вигляду.

Перехід первинних алюмосилікатів у вторинні супроводжується видаленням із породи деяких елементів, в першу чергу лужних і лужноземельних металів і утворенням із них нових простих мінералів, як розчинних, так і нерозчинних у воді. Серед новоутворених водорозчинних мінералів зустрічаються гіпс, карбонати кальцію і магнію; серед нерозчинних - водні окисли заліза, що забарвлюють породу в жовті й бурі тони.

Зміни мінерального складу можна спостерігати при вивітрюванні вивержених, особливо великозернистих порід, первинні мінерали яких легко вивітрюються. Зміни у складі осадочних (зокрема, глинистих) порід менш помітні. Одна з характерних ознак - вивітріла частина порід часто насичена гіпсом і водними окислами заліза.

Зміна внутрішніх зв`язків у породі в процесі вивітрювання призводить до зменшення її механічної міцності, до пониження опору породи зовнішнім зусиллям, що на неї впливають. Тому треба визначати також міцність породи за такими ознаками: 1) важко розколюється молотком; 2) розламується руками; 3) розламується пальцями; 4) розсипається від легкого дотику. Під час польового випробування міцності порід слід описувати характер частин, на які розпадається порода, їх форму, розміри, характер поверхні, колір і т.п.

Крім основних ознак вивітрювання, треба відзначити додаткові, наприклад, вологість, міцність, пластичність і т.п.

Пластичність встановлюється шляхом розкачування шматка породи в джгут і класифікується наступним чином: 1) порода в джгут не розкачується; 2) порода розкочується в товстий (тонкий) джгут; 3) джгут згинається в кільце без розриву цільності і без утворення тріщин.

Слід особливо уважно вивчати розподіл і склад живих організмів на поверхні і всередині гірської породи. Необхідно описувати характер поширення (плямами, суцільним покривом і т.п.) і проникнення вглиб породи (по тріщинах, порах) нижчої (лишайники, гриби, мхи) і вищої рослинності. Вказують на її приуроченість до певних порід чи до орієнтації схилів, на розвиток кореневої системи, руйнування поверхні гірських порід і т. ін. Тут необхідна консультація біолога.

Під час опису ознак вивітрювання повинні складатися наступні основні польові документи:

геолого-літологічна карта з зображенням рельєфу в горизонталях, на яку наносять точки обстеження;

польовий журнал;

колонки вивчених розрізів.

Густота і розподіл по площі штучних гірських виробок, призначених для вивчення глибини, характеру і площі розповсюдження вивітрілих порід, залежать від геологічної будови і гідрогеологічних умов району, типу споруди і стадії проектування. Для визначення місць розташування виробок слід користуватися методичними посібниками і інструкціями з інженерно-геологічних вишукувань для різних видів будівництва (гідротехнічного, цивільного, дорожнього та ін.). При визначенні місць закладення виробок для встановлення границь зон вивітрювання необхідно враховувати склад порід, умови їх залягання, тектонічні порушення. На кожний тип порід повинні припадати щонайменше дві виробки, якщо ці породи не мають широкого площинного поширення і не приурочені до різних геоморфологічних елементів або різних гідрогеологічних умов.

Умови залягання порід також впливають на визначення кількості і глибини виробок. Наприклад, при горизонтальному заляганні порід виробки, за інших рівних умов, можуть розташовуватися на порівняно великій відстані одна від одної. При похилому заляганні порід, особливо різних за літологічним складом, кількість виробок повинна бути збільшена, їх глибина в останньому випадку буде різною, тому що за таких умов нижня межа вивітрілих порід буде неоднаковою.

З метою вивчення швидкості процесів вивітрювання описується потужність вивітрілої зони і характер вивітрювання у штучних відслоненнях порід (укосах, виїмках, шурфах, штольнях). Час викриття таких виробок повинен бути відомим. Проводяться тривалі спостереження над вивітрюванням порід у свіжих штучних відслоненнях.

Визначення швидкості вивітрювання гірських порід в існуючих штучних відслоненнях виконується наступним чином:

1. Оглядаються всі штучні відслонення порід в районі досліджень, а в деяких випадках і за його межами. Відслонення наносяться на карту і нумеруються; описуються місця їх розташування (елемент рельєфу, орієнтування і крутизна схилу, залісненість і т.д.).

2. Для всіх оглянутих штучних відслонень з найбільш можливою точністю встановлюються дати їхнього викриття. Якщо ці дати для району досліджень виявляються близькими одна до одної, то необхідно відшукати в прилеглих районах штучні відслонення тих же порід, але викритих в інший час. Найбільш сприятливим буде випадок, якщо вдасться відшукати такі відслонення, строки розкриття яких відрізняються на декілька місяців, а всі разом вони охоплюють 15-20 років до поточного року.

3. Для кожного обраного пункту описуються ознаки вивітрювання, відбираються зразки для лабораторних випробувань і визначається потужність вивітрілої зони (робляться розчистки).

4. Одночасно вивчаються кліматичні умови (кількість опадів, коливання температури) і описуються кліматичні явища (сильні зливи, урагани і т.п.). Ці явища систематизуються по періодах, що охоплюють проміжки між датами викриття зареєстрованих штучних відслонень. Отримані дані дозволяють пояснити розбіжності в інтенсивності і характері вивітрювання одних і тих же порід, викритих в різний час.

Навіть одиничний опис всіх взятих на облік штучних відслонень дасть можливість встановити глибину і характер вивітрювання порід протягом часу існування цих відслонень. Повторні описи дозволять перевірити і уточнити отримані раніше дані. Кількість повторних описів і, відповідно, строки закінчення спостережень залежать від числа взятих на облік штучних відслонень і від інтервалу часу між датами їх викриття. Чим більше зареєстровано відслонень і чим меншим є інтервал між датами їх викриття, тим коротшим повинен бути період спостережень. У цьому найбільш сприятливому випадку можна обмежитися одиничним описом всіх штучних відслонень порід.

Цілком природно, що визначенні по різних відслоненнях значення швидкості вивітрювання порід будуть відрізнятися один від одного, тому що ці відслонення можуть перебувати в різних умовах. В цьому випадку слід надавати перевагу даним, отриманим по штучних відслоненнях, умови яких є близькими до умов, в яких перебуватиме порода при взаємодії зі спорудою.

Інколи в процесі досліджень можна зустрітися з різними явищами, які ускладнюють чи роблять неможливим подальше спостереження за швидкістю вивітрювання порід в якому-небудь відслоненні. До таких явищ належать: змивання порід зі схилу, штучна очистка укосів і виїмок, обрушення і т.п. Якщо врахувати ці явища не можна, то вивчення відслонення припиняється.

Визначення швидкості вивітрювання порід у спеціально закладених виробках вимагає виконання гірничих робіт і значних витрат часу. Таке визначення застосовується у випадках, коли необхідно визначити характер і потужність захисних покриттів і ціликів, а також, якщо неможливо використати перший метод. Цей метод полягає в наступному:

1. Виконують розчистку природних відслонень або викопують спеціальні котловани до незачеплених вивітрюванням порід. Кожна така виробка є пунктом довготривалого спостереження за процесом вивітрювання.

2. Пункти спостереження обираються з умовою, щоб виробки а) викривали всі потрібні типи порід, б) перебували в різних умовах рельєфу (на плато, на схилі, в долині), в) розташовувалися як на південних, так і на північних схилах. Крім того, частина штучних відслонень повинна бути приуроченою до ділянок розташування запроектованих споруд. Бажано, щоб площа викритої породи була не меншою від 4 м². Треба прагнути до того, щоб штучні відслонення порід, призначені для тривалого спостереження за вивітрюванням, перебували в таких же умовах, в яких буде знаходитися порода при взаємодії зі спорудою. Наприклад, якщо оцінюється швидкість вивітрювання порід для майбутніх укосів каналу, залізничної виїмки, стінок котловану, то штучні відслонення треба відповідно орієнтувати, надати укосам таку ж крутизну і висоту, на таку ж глибину заповнити водою (для каналів) і т.д.

3.Проходка всіх виробок в межах району будівництва по можливості ведеться й закінчується одночасно; періодичне їх описування також виконується одночасно.

4.На кожному пункті спостережень описуються ознаки вивітрювання, відбираються зразки для лабораторних досліджень і визначається потужність вивітрілої зони шляхом розкопування частини відслонення.

Загальний термін таких спостережень повинен бути не менше року. Але через невивченість явища вкрай бажано повторювати ці спостереження хоча б 4-5 разів на рік протягом всього періоду будівництва.

Перед кожним наступним спостереженням дається опис метеорологічних явищ, що мали місце в період між спостереженнями.

3.2.5 Спостереження, необхідні для встановлення характеру і потужності захисних покриттів і ціликів

В ряді випадків буває необхідно убезпечити від вивітрювання породи, викриті будівельними котлованами і виїмками, за допомогою штучних покриттів або шляхом залишення захисної товщі тих же порід (ціликів). Вибір матеріалу і потужності захисного покриття залежить: 1) від властивостей, стану та інтенсивності переважаючих в даному районі агентів вивітрювання; 2) від властивостей і стану гірських порід.

Найбільш складним є виявлення переважаючих в даних умовах агентів вивітрювання. Їх можна визначити шляхом: 1) порівняння ознак вивітрювання; 2) виконання спеціальних дослідів і спостережень у котлованах.

Патьоки, тонкі частки, замитість у тріщинах свідчать про проникнення в породу атмосферної вологи; на це ж вказуватиме нерівномірний розподіл по розрізу водорозчинних солей: наявність у верхній частині розрізу і відсутність у нижній.

Окисні форми залізистих сполук свідчать про участь кисню в процесах вивітрювання, закисні - про те, що кисень в цих процесах не брав участі. За цими ознаками можна вирішити, чи проник кисень у породу разом з водою, чи попав в неї без води і т.п.

Вивчаючи таким чином ознаки вивітрювання і порівнюючи їх, можна встановити, які агенти вивітрювання відігравали провідну роль в даних умовах і в якому стані (рідкому, газоподібному і т.п.) вони перебували в момент взаємодії з гірськими породами.

Спеціальні досліди і спостереження для визначення переважаючих агентів вивітрювання можуть виконуватися у відкритих до невивітрілих порід котлованах. Форма і розміри котловану можуть бути різними в залежності від рельєфу, глибини і умов залягання порід. Викрита в котловані порода описується за вказаною раніше схемою.

На дні котловану виділяються декілька площадок певного розміру. Кожна з цих площадок захищається відповідним покриттям від однієї чи кількох груп можливих агентів вивітрювання з таким розрахунком, щоб можна було прослідкувати вплив кожного з них на породи. Одна чи дві площадки залишаються без покриття.

Періодично частина покриття на кожній площадці розкривається закопушкою до невивітрілої породи. Вивітріла порода описується по вищенаведеній схемі, з неї відбираються зразки для лабораторних досліджень. Після цього закопушка закидається вибраною породою і знову вкривається відповідним покриттям. Інколи для захисту порід від вивітрювання доцільно залишати над ними цілики з тих же порід. В цьому випадку глибину будівельних котлованів не доводять до проектних позначок. Потужність ціликів дорівнює потужності зони вивітрювання, яка утворюється протягом певного часу (наприклад, протягом часу, на який котлован залишається у відкритому стані). Безпосередньо перед початком будівництва цілики знімають.

3.2.6 Лабораторне вивчення вивітрілих порід

Вивчаються як невивітрілі, так і вивітрілі до різної міри породи. Лабораторні визначення розділяються на чотири комплекси: повний, скорочений, перший і другий додаткові.

Повний комплекс виконується для детальної характеристики опорних зразків основних типів порід, що беруться з невивітрілої і вивітрілої частини розрізу. У повний комплекс лабораторних визначень входять: хіміко-мінералогічні і петрографічні визначення; гранулометричний склад, щільність, пористість, вологість, межі пластичності, розмокання, набрякання; закипання з HCl, випробування на стиснення, на зсув, коефіцієнт фільтрації.

Для скороченого комплексу лабораторних робіт з кожної зони вивітрювання відбираються по 2 зразки, причому один із них є контрольним. Скорочений комплекс є основним при лабораторному вивченні процесів вивітрювання для інженерно-геологічних цілей.

До скороченого комплексу входять лише частина хіміко-мінералогічних і одне петрографічне визначення (опис шліфів); вологість, пластичність, розмокання; закипання з HCl; зсувні випробування, роздавлювання.

Перший додатковий комплекс визначень рекомендовано виконувати для встановлення глибини знімання вивітрілих порід. До цього комплексу входять: випробування на зсув, на стисливість, визначення коефіцієнта фільтрації. Другий додатковий комплекс виконується при вивченні формування укосів. Сюди входять випробування на зсув та роздавлювання. Крім вказаних, рекомендується робити мікробіологічний аналіз для декількох характерних зразків.

Для проб води підземних вод, а також проб із природних і штучних водойм рекомендується повний хімічний аналіз.

3.2.7 Заходи боротьби з вивітрюванням гірських порід

До них належать всі заходи, спрямовані на попередження подальшого вивітрювання гірських порід, а саме:

покриття гірських порід непроникними для агентів вивітрювання матеріалами;

промочування порід різними речовинами;

штучна нейтралізація агентів вивітрювання;

планування територій і відведення води.

При виборі матеріалу для покриття треба виходити як із властивостей цього матеріалу, так і з типу агентів вивітрювання, які визначають можливі зміни породи в даних умовах. Наприклад, для попередження проникнення в породу рідких і газоподібних агентів вивітрювання можуть застосовуватися різні матеріали з метою гідроізоляції: силікати, гудрон, цемент чи навіть глина. Однак всі вони, за винятком глини, зовсім не підходять для попередження впливу на породу коливань температури. Для цієї мети застосовують глину або пісок, укладені досить потужними шаром, що дорівнює потужності зони річних коливань температури порід у даному районі або більшим на 5-10 см.

Найкращим матеріалом для покриття є суглинок, тому що він має майже універсальні захисні властивості. Якщо укласти його шаром достатньої потужності, то він не пропустить ні рідких, ні газоподібних агентів вивітрювання і погасить найрізкіші коливання температури. Крім того, суглинок, що складається з продуктів, властивих більш пізнім стадіям вивітрювання, мало піддається руйнуванню. Добрі захисні властивості має бетон, але це, по-перше, вартісний матеріал, а по-друге, й сам може змінюватися під впливом вивітрювання. Пісок може захищати породи від впливу коливань температури, але не може затримати проникнення рідких і газоподібних агентів вивітрювання. Тому його недоцільно застосовувати в районах, де фізичне вивітрювання переважає над хімічним. Бітум захищає породу від проникнення агентів вивітрювання, але не в змозі протистояти коливанням температури.

Матеріали і потужність захисного покриття залежать також від зміни умов вивітрювання під впливом споруди, а також від терміну служби захисного покриття. Наприклад, якщо в будівельний котлован буде потрапляти вода і він буде перебувати у відкритому стані недовго (кілька десятків днів), то захисним покриттям може бути бетон, гудрон або глина, укладені тонким шаром. Але якщо котлован буде відкритим довгий час (кілька років), то до агентів вивітрювання додаються сезонні і річні коливання температури порід. В таких випадках слід або збільшити товщину покриття, або застосувати теплоізоляційний матеріал.

До цієї ж групи заходів боротьби з вивітрюванням гірських порід слід віднести і тимчасове залишення шару порід, які знімаються. Тобто це є свідомим недоведенням дна котлованів і виїмок до проектної глибини. Шар, що залишився, знімається безпосередньо перед початком будівельних робіт.

В якості промочувальних речовин можуть використовуватися: розчинне (рідке) скло, гудрон та ін. Застосування більшості промочувальних речовин обмежене різними умовами. Наприклад, введення в породу рідкого скла лімітується фільтраційними властивостями породи; гарячого бітуму - фільтраційними властивостями породи і необхідністю при низьких коефіцієнтах фільтрації досить високого тиску (1,2 - 1,4 МПа). Такий тиск може зруйнувати породу або відтиснути її в боки. Бітуми з малою проникністю дають гарні результати у скельних породах з великими пустотами. Бітуми з більшою проникністю можна використовувати для заповнення тонких тріщин у скельних породах. Бітумізації піддаються також щебнясто-галькові породи. У піщано-глинистих породах бітуми не застосовуються.

Цементування використовують у тріщинуватих і гравелистих породах, великозернистих породах. У глинах і дрібнозернистих пісках бетон погано поширюється.

Інколи застосовують глинисту суспензію, якою заливають гравелисті породи, що вивітрюються (переважно для зменшення фільтраційних властивостей). Наприклад, при заливанні піску, який має різну пористість, суспензією (5 г сухого делювіального суглинка на 1 л води) виявилося, що при пористості 34% кофіцієнт фільтрації зменшився у 20 разів, а при пористості 29% - у 100 разів.

До методів нейтралізації агентів вивітрювання належить додавання у воду, яка фільтрується через породу, солей з метою зменшення її розчинної здатності. Але цей спосіб досить дорогий і вимагає спеціального обладнання.

До заходів боротьби з вивітрюванням гірських порід належить і відведення поверхневих та підземних вод. Це планування і вистеляння (брукування) територій, влаштування нагірних канав, зливостоків і т.п. Гравітаційні підземні води перехоплюються дренажними галереями, поглинаючими колодязями, штучними завісами (заморожування, гудронування, цементація, силікатизація і т.п.).

Запитання для самоконтролю.

1. Що називається процесом вивітрювання?

2. За якими напрямками вивчається вивітрювання гірських порід під час інженерно-геологічних досліджень?

3. Дайте характеристику основним чинникам вивітрювання.

4. Які мінерали утворюються в гірських породах внаслідок вивітрювання?

5. Яким змінам піддаються гірські породи внаслідок вивітрювання?

6. Назвіть шляхи проникнення чинників вивітрювання в гірські породи.

7. Як поділяються пустоти в гірських породах за розмірами?

8. Охарактеризуйте зональність вивітрілих гірських порід (за М.В. Коломенським та І.С. Комаровим).

9. Для чого вивчається вивітрювання під час інженерно-геологічних досліджень?

10. Якими є зовнішні ознаки вивітрювання гірських порід?

11. Як вивчається швидкість вивітрювання гірських порід?

12. Назвіть лабораторні методи вивчення вивітрілих гірських порід.

13. Якими є заходи протидії вивітрюванню гірських порід?

3.3 Сезонне та багаторічне промерзання гірських порід

Обширні простори на земній кулі зайняті багаторічномерзлими грунтами, величезні території піддаються сезонному промерзанню. Щорічне промерзання є сезонним (сезонномерзлі породи).

На сьогодні замість терміну "вічно мерзла" вживають поняття "багаторічно мерзла" порода. Означення "вічномерзлий" умовне, тому що нічого вічного в природі не існує. У нашій мові слово "вічний" синономічне слову "нескінченний". Але ж в історії Землі були періоди, коли на одних і тих же ділянках земної кори ніякої мерзлоти не існувало, отже, термін "вічна мерзлота" є некоректним.

Розглянемо зміст поняття "мерзла порода" чи "мерзлий грунт". Раніше мерзлими ґрунтами вважалися всі гірські породи, що мали від`ємну температуру. Однак зменшення температури до нуля і нижче не завжди змінює будівельні властивості породи. Наприклад, розглянемо сухий пісок. Очевидно, що як в умовах позитивних, так і від`ємних температур він буде наділений практично однаковими властивостями, залишаючись сипкою безструктурною породою. Інша справа, якщо пісок насичений водою. В цьому випадку цементація піщаних часток льодом надає піскові значної міцності. Якщо ж усі породи з від`ємною температурою називати мерзлими, то очевидно, і сухий пісок, що не змінив своїх властивостей, і пісок, зцементований льодом і перетворений на напівскельну породу, доведеться віднести до однієї групи мерзлих порід. В цьому, без сумніву, полягає значна незручність.

Для того щоб уникнути подібного становища, деякі вчені (М.А. Цитович, М.І. Толстіхін та ін.) запропонували застосовувати термін "мерзлі" тільки до тих порід, які мають нульову або від`ємну температуру і містять включення льоду. Ті ж породи, що мають від`ємну температуру, але не містять льоду, прийнято називати "морозними". Вічномерзлими породами називають такі мерзлі породи, що не відтаюють протягом декількох років.

Будівництво в умовах розвитку багаторічномерзлих порід дуже ускладнене і вимагає всебічного вивчення і кількісної оцінки процесів, які відбуваються в пухких породах при їх замерзанні-відтанені. Цими питаннями займається спеціальна наука - мерзлотознавство, або геокріологія.

Площа поширення багаторічномерзлих порід значно менша, ніж площа порід сезонного промерзання, але все ж охоплює значні території на трьох континентах (Євразія, Америка і Антарктида). в цілому вона дорівнює приблизно 35 млн. км², що становить 24% всієї поверхні суші на земній кулі. Потужність багаторічномерзлих порід коливається від 10-15 м до 300-500 м на крайній півночі, за полярним колом.

3.3.1 Будова товщі багаторічномерзлих порід

Основними характеристиками будови товщ мерзлих порід є глибина залягання верхньої і нижньої поверхонь мерзлої товщі, її потужність, переривчатість за площею і глибиною.

Глибина залягання верхньої поверхні мерзлої товщі непостійна. В зв`язку зі значними температурними коливаннями в районах поширення багаторічномерзлих порід спостерігаються явища сезонного промерзання і відтанення. Шар періодично замерзаючих і відтаючих порід називається діяльним шаром.

Слід відзначити, що глибини поширення позитивних температур у літній період і від`ємних у зимовий між собою не збігаються. Тому розрізняють два поняття: сезонновідтаючий шар і сезоннопромерзаючий шар, які відповідають потужностям порід, що відтаюють у літній і промерзають у зимовий період. Якщо величина літнього відтанення перевищує величину зимового промерзання, то потужність діяльного шару визначаються за максимально можливою глибиною сезонного відтанення. При зворотньому співвідношенні потужність діяльного шару визначається за максимально можливою глибиною сезонного промерзання.

Глибини сезонного відтанення і промерзання можуть не збігатися за потужністю. У випадках, коли шар відтанення більший від шару промерзання, між шаром багаторічномерзлих порід і сезонномерзлих порід залишається постійний талик (мерзлі товщі, які "не зливаються"). При іншому співвідношенні глибин промерзання і відтанення шар сезонномерзлих порід безпосередньо переходить у шар багаторічномерзлих порід (мерзлі породи, які "зливаються").

Перший тип характерний для південних районів області поширення багаторічномерзлих порід, другий - для північних.

Інколи в товщі мерзлих порід спостерігаються пластові талики, пов`язані з найбільш водопроникними пластами порід, по яких рухаються підземні води. За наявності кількох пластових таликів, розташованих на різній глибині, товща багаторічномерзлих порід виявляється розбитою на окремі зони. В цьому випадку говорять про шаруваті або переривчасті зони (за глибиною).

Багаторічномерзлі породи не завжди мають суцільне поширення і в горизонтальному напрямку, вони часто перериваються таликами. Талики утворюються під ріками, озерами, у місцях інтенсивного виходу підземних вод і під потужним сніговим покривом. Залежно від того, чи пронизують талики всю товщу мерзлих порід, чи підстеляються знизу мерзлими породами, розрізняють два типи таликів: наскрізні і замкнені (псевдоталики).

Найширше розповсюдження мають талики під ріками. Вони відрізняються найбільшою глибиною. Під великими ріками, що не промерзають, часто спостерігаються наскрізні талики. Вони спостерігаються також і під непромерзаючим до дна озерами. В цьому випадку вони замкнені і мають форму глибоких ванн із майже зовсім прямовисними мерзлими бортами. Контакт між мерзлими береговими і талими підозерними породами знаходиться звичайно біля самого берега озера. Підвищення температур у мерзлих породах під озерами поширюється не більше, ніж на 50-100 м. Ця глибина залежить від фільтраційних властивостей відкладів, що лежать під дном озер: якщо відклади слабкофільтраційні, то потужність таликів не перевищує 20 м. Глибокі і наскрізні талики спостерігаються там, де відклади представлені породами, що добре фільтрують - тут створюються умови для конвективного теплообміну.

Останній тип таликів - це таліки аномального типу, які знаходяться в умовах суворого клімату, далеко від водних потоків і водоймищ. Основна причина їх утворення - наявність потужного снігового покриву, який з`являється до настання сильних морозів.

Утворення таликів часто пов`язане з діяльністю людини: з гідротехнічним будівництвом і меліоративними заходами. Наприклад, влаштування водосховищ із великою глибиною викликає глибоке протанення багаторічномерзлих порід і утворення наскрізних (на півдні) або замкнених (на півночі) таликів.

Важливою особливістю будови мерзлих порід є наявність виділень льоду. Лід може знаходитися у породах як у вигляді окремих кристалів, так і у вигляді великих включень. Льодовиділення у вигляді включень спостерігається тільки в незцементованих пухких породах, достатньо зволожених і залягаючих неглибоко від денної поверхні. Найчастіше такі виділення спостерігаються в глинистих породах (глинах, супісках, суглинках), торфах і заторфованих породах і рідше - в пилуватих і дрібнозернистих пісках. Льодовиділенню сприяють висока вологість породи (вище максимальної молекулярної вологоємності) і неглибоке залягання рівня ґрунтових вод.

Виділення льоду утворюють своєрідні текстури і структури мерзлих порід. Типи текстур наступні: масивна (льодові кристали розподілені рівномірно по всій потужності породи) і шарувата (лід утворює тонкі прошарки і лінзи). Масивний тип текстури характерний для щільних порід з невисокою початковою вологістю, шаруватий - для порід слабко ущільнених з високою початковою вологістю.

Присутність льоду у мерзлих породах відіграє роль цементу і додає породі міцності і водонепроникності. Однак при таненні льодових включень порода часто виявляється перезволоженою і набуває текучого стану, цілком втрачаючи при цьому несучу здатність. Особливо велику небезпеку представляють льодяні включення великого розміру.

3.3.2 Основні типи підземних льодів і процеси, що їх утворюють

Конституційний лід утворюється в результаті промерзання вологих порід і має декілька різновидів.

Лід-цемент - найбільш широко розповсюджений різновид конституційного льоду. Утворюється він за рахунок замерзання води у вологих, але не насичених водою пухких гірських породах і заповнює пори між мінеральними зернами породи, не порушуючи її структуру і текстуру. Він цементує породи, надає їм міцності і робить їх водонепроникними. В зв`язку з невеликим його вмістом у породах, перехід льоду в рідку фазу не викликає їх надлишкового зволоження. Тому з інженерно-геологічної точки зору цей різновид льоду є найбільш сприятливим.

Сегрегаційний лід відрізняється від льоду-цементу тим, що при його утворенні відбуваються явища кристалізаційної диференціації, підтягування води і утворення кристалів льоду, які розсувають мінеральні частки. в результаті відбувається зміна початкової структури і текстури породи. Сегрегаційний лід утворює лінзи, прошарки, включення різної форми і розміру. Розподіл льоду може бути різним: від безладного до строго орієнтованого, наприклад, до шаруватості породи. Останній вид розподілу льоду досить поширенний і надає породі своєрідної грубої шаруватості. На глибині 10-20 м льодяні прошарки зазвичай зникають, і текстура породи стає масивною. При переході сегрегаційного льоду в рідку фазу відбувається перезволоження породи і, як наслідок, зниження несучої здатності.

Ін`єкційний лід утворюється внаслідок проникнення води в породу під тиском. Тиск створюється за рахунок промерзання водовмісної породи і зменшення живого перерізу потоку ґрунтових вод. Такий тиск може досягати 250 МПа. Форми ін`єкцій можуть бути різними. Найчастіше вода проникає в породу по тріщинах, контактах, шаруватості і т.д. При цьому утворюються поклади у вигляді лінз, штоків або прошарків. Інколи тиск води виявляється настільки сильним, що вона підіймає верхні шари породи і утворюються бугри пучіння. Перехід ін`єкційного льоду в рідку фазу може супроводжуватися просіданнями грунту і становить велику небезпеку для споруд, що будуються.

Жильний лід заповнює морозобійні тріщини, які утворюються в гірських породах внаслідок зменшення їх об`єму при охолодженні. Виникають вони в тих місцях, де напруження перевищують міцність гірських порід на розрив. Утворившись одного разу, тріщини продовжують розширюватися протягом всього морозного періоду і закриваються тільки весною, коли відбувається розширення порід в результаті нагрівання. Тріщини розбивають мерзлі породи на полігональну окремість правильної форми в однорідних і неправильної форми в неоднорідних породах. При подальшому падінні температури і охолодженні всередині великих багатокутників можуть утворюватися багатокутники другого і навіть третього порядку. Потім тріщини заповнюються памороззю або водою, внаслідок чого в них утворюються невеликі льодяні жили або клини. В літній період льодяні жили відтають, і тріщини закриваються, але послаблені поверхні залишаються. Тому в наступні роки жили часто утворюються на попередніх місцях і продовжують рости в ширину і вглиб. В зв`язку зі збільшенням розмірів, у літній період вони вже не встигають повністю відтанути, а зимою знову продовжують розростатися. В результаті утворюються багаторічні жили, що досягають іноді величезних розмірів. Їх довжина може досягати десятків метрів, в окремих випадках сотень, а глибина від 1-2 до 6-7 м; форма клиновидна (ширина зверху до 3-4 м).

Особливо великих глибин досягають жили льоду сингенетичного характеру, які формуються одночасно із накопиченням осадків. В цьому випадку жили поширюються в товщу порід на десятки метрів за глибиною. Інколи вони розростаються настільки, що гірські породи всередині полігонів набувають форми земляних стовпів або колон, оточених з усіх боків льодом. Жильні льоди утворюються переважно в глинистих породах, торфах і дуже рідко - у пісках та гравійно-галькових відкладах.

Жильні льоди представляють собою велику небезпеку: при зміні температурного режиму відбуваються просідання чи провали поверхні внаслідок відтанення льоду.

Печерно-жильні льоди утворюються в карстових печерах і різних тріщинах (вивітрювання, тектонічних) гірських порід. Великого практичного значення не мають.

Поховані льоди утворюються за рахунок захоронення під шаром наносів льоду рік, озер, морів, наледей, сніжників, відступаючих льодовиків. При цьому потужність шару наносів більша, ніж глибина сезонного відтанення. Такі льоди не мають великого інженерно-геологічного значення через обмежене розповсюдження.

3.3.3 Фізичні процеси у промерзаючих гірських породах. Фізичні і механічні властивості мерзлих і відталих гірських порід

Явища промерзання і відтанення рихлих гірських порід супроводжуються процесами фазових перетворень, міграції вологи, росту льодяних кристалів. Зазвичай це призводить до істотних змін у структурі, текстурі, фізичному стані і фізико-механічних властивостях гірських порід.

Мерзлі гірські породи представляють собою складну чотирифазну багатокомпонентну систему. Вона складається з твердих мінеральних часток, води у твердому (лід), рідкому і газоподібному стані (пара) і деякої кількості газів.

Вміст води у різних фазах залежить від параметрів системи - температури і тиску. Чим нижчою є температура, тим менше в гірських породах міститься води у рідкій фазі. Однак навіть при дуже низьких температурах деяка частина води, адсорбована на поверхні мінеральних часток, залишається в рідкому стані.

Це положення підтверджується дослідами на визначення вмісту незамерзлої води (W_нз) у мерзлих породах. Результати показують, що температура замерзання води залежить від ступеню дисперсності породи. У пісків промерзання води завершується при температурах, близьких до 0⁰С, в глинах воно відбувається в досить значному інтервалі температур і навіть при t=30⁰С вологість ґрунту дорівнює 12%.

...