Геологические и эндогенные процессы в природе

Коэффициент фильтрации характеризует водопроницаемость грунта и изменяется в широких пределах. Определяется экспериментально в полевых и лабораторных условиях. Примерные значения составляют (м/сутки): суглинки меньше 0,05; супеси 0,05…0,5; пески от пылеватого до крупного 0,5…50; гравий, галечник 50…500. Глины с коэффициентом фильтрации менее 0,001 можно считать практически водонепроницаемыми.

Рис. 4.1. Схема к пояснению закона фильтрации

Капиллярная вода перемещается в порах под действием сил поверхностного натяжения и возникающей вследствие этого подъемной силы менисков воды в порах-капиллярах. Поэтому в грунте выше уровня подземных вод, т.е. в зоне аэрации, поры частично заполнены капиллярной водой. Высота поднятия зависит от размеров пор, составляя в песках до 1м, супесях 1…2м, суглинках и глинах до 3…4м.

Опасность увлажнения капиллярной водой учитывается при проектировании дорог, фундаментов зданий и сооружений. Длительное испарение капиллярной воды с поверхности может приводить к засолению почв. Капиллярная вода влияет на прочность грунтов, сообщая им некоторую связность, что особенно заметно для увлажненного песка. Но при высыхании, или, наоборот, полном водонасыщении связность за счет капиллярных сил исчезает. Характер взаимодействия скелета грунта и воды сказывается на водопрочности грунта: растворимости, размягчаемости, размокании, размываемости. Имеют значение такие водные свойства грунтов, как влагоемкость - способность грунта вмещать воду и водоотдача - способность отдавать воду. Последняя больше у песчаных пород, чем у глинистых, хотя по влагоемкости соотношение может быть обратным.

Физически связанная вода в песках почти отсутствует, но для глинистых грунтов имеет большое значение. Вода адсорбирована поверхностью глинистых и коллоидных частиц и связана поверхностными силами ионно-электростатической и электромолекулярной природы. Непосредственно у поверхности частицы удерживается слой прочносвязанной воды с аномальными свойствами - повышенной плотностью и вязкостью, очень низкой температурой замерзания. Далее располагается рыхлосвязанная вода, близкая по свойствам к обычной, но не перемещающаяся под действием силы тяжести и замерзающая при температуре -(3…4)^о С. Прочносвязанная вода называется еще гигроскопической, а рыхлосвязанная - пленочной.

К перемещению в грунте способна только пленочная вода. Возможна ее миграция в направлении понижения температуры (например, к фронту промерзания, что усиливает пучение грунта) и уменьшения толщины водных оболочек.

Влажность за счет всей связанной воды называется максимальной молекулярной влагоемкостью щ_m. Ее значение растет с увеличением содержания глинистых минералов, особенно группы монтмориллонита. Сопоставление природной влажности и щ_m позволяет установить содержание свободной воды и, следовательно, водоотдачу грунта, равную (щ_е - щ_m). Если же они близки, то грунт содержит только связанную воду.

В оболочке связанной воды, называемой также диффузным слоем, содержатся ионы из состава минерала частицы и порового раствора. Это катионы H+, Na+, K+, Ca²⁺ , Mg²⁺ , Fe²⁺ ,Fe³⁺ , Al³⁺ и анионы Cl ^- ,SO₄ ^2- , CO₃ ^2- , HCO₃ ^- и др. При изменении состава порового раствора может происходить замещение одних ионов другими. Поэтому ионы диффузного слоя называются обменными, а максимальное их количество, способное к обмену в данных условиях, называется емкостью обмена. С ростом дисперсности, увеличением содержания глинистых минералов и органики емкость обмена увеличивается.

Состав и концентрация катионов диффузного слоя влияют и на его толщину, т.е. содержание связанной воды. Они больше для одновалентных ионов натрия , калия и уменьшаются при замещении их кальцием, железом и алюминием.

Закономерности строения и состава диффузного слоя глинистых грунтов проявляются в электроосмосе и электрофорезе. При обработке грунта постоянным электрическим током к катоду перемещаются гидратированные катионы и соответственно идет приток воды (электроосмос). К аноду перемещаются твердые частицы и анионы (электрофорез). Откачка воды из трубчатого перфорированного катода приводит к электроосмотическому осушению грунта. При введении в полость перфорированного анода растворов с содержанием кальция, железа и алюминия происходит электрохимическое закрепление грунта.

Газы в грунтах могут находиться в свободном, адсорбированном и защемленном состояниях. Свободный газ (обычно воздух) зоны аэрации связан с атмосферой и не оказывает существенного влияния на работу грунта. Газы в двух последних состояниях могут вызвать многолетние осадки насыпей из глинистых грунтов, появление в них трещин и полостей. Закупоривание пор газом уменьшает проницаемость грунта. Растворенный в поровой воде газ увеличивает сжимаемость грунта.

При извлечении отобранных на большой глубине образцов грунта происходит расширение защемленного в порах газа и выделение его из воды при снятии давления, что может вызвать разуплотнение грунта. При разработке глубоких котлованов это одна из причин часто отмечаемого подъема их дна.

4.4 Структура и структурные связи. Природное и нарушенное состояния грунтов. Сжимаемость и прочность грунтов

Для дисперсных грунтов в понятие «структура» включается представление о связях между отдельными частицами. Если такие связи отсутствуют или имеют временный характер, грунты называются несвязными и прочность их всецело обусловлена трением. Прочность и сжимаемость связных, глинистых грунтов зависит не только от трения, но, прежде всего, от характера структурных связей.

Установлено, что глинистые грунты обладают структурными связями двух типов: водно-коллоидные (ВКС); цементационные (ЦС).

ВКС возникают еще в процессе накопления и уплотнения осадка; это «наследие» коллоидной формы его существования. Они зависят от толщины оболочек связанной воды, характера ионов, внешних условий. В зависимости от этих факторов ВКС могут ослабевать или восстанавливаться.

ЦС возникают как вторичные на некоторой стадии диагенеза вследствие цементирующего действия различных веществ (например, солей) на поверхности частиц. Это хрупкие, невосстанавливающиеся связи.

Преобладание связей того или иного типа сразу сказывается на свойствах грунта. Оно проявляется также при сопоставлении прочности образцов грунта природного и нарушенного сложения. В последнем случае грунт переминается и формуется вновь с сохранением первоначальных плотности и влажности. Очевидно, при этом ЦС утрачиваются полностью, а ВКС лишь частично, восстанавливаясь со временем.

Отношение прочности в природном и нарушенном состояниях называется коэффициентом чувствительности или структурной прочности. Обычно он равен 2…4, но для некоторых особо чувствительных грунтов возрастает до нескольких десятков.

Нарушение структурных связей не обязательно связано с полным перемятием грунта. Воздействия динамического характера (удары, вибрация и др.), связанные, например, с производством работ, могут привести к существенному разупрочнению грунта, если в нем преобладали ВКС. Такое разупрочнение, вплоть до перехода в текучее состояние, называют тиксотропным. Его механизм связывается с трансформацией части пленочной воды, а также защемленной в порах грунта ( иммобилизованной) в свободную гравитационную воду. После устранения воздействий ВКС постепенно восстанавливаются и грунт упрочняется.

Это характерно для условий забивки свай в глинистые грунты. Нагружать сваи можно лишь спустя некоторое время после забивки - после «отдыха» грунта. Тиксотропия проявляется и в природных условиях.

Преобладание ЦС уменьшает деформации уплотнения, набухания и усадки. До определенных давлений при уплотнении и пороговых влажностей набухания и усадки ЦС тормозят процесс. При разрушенных ЦС процессы развиваются активнее: при прочих равных условиях грунты нарушенного сложения сильнее уплотняются, дают большие деформации набухания, быстрее размокают. При строительстве Верхнесвирской ГЭС котлован в 1941 г. был затоплен и осушен лишь через семь лет; при этом откосы в глинистых породах, сохранивших природное сложение, не оползли, тогда как такие же породы в отвалах были в состоянии, близком к текучему.

Рассмотренные характеристики состава и состояния грунтов, их структура определяют сжимаемость и прочность грунтов. Сжимаемость грунтов характеризуется модулем деформации и коэффициентом бокового расширения. Прочностные показатели - сопротивление грунта сдвигу, коэффициент внутреннего трения и сцепление. Вопросы сжимаемости и прочности грунтов детально рассматриваются в последующем курсе «Механика грунтов».

Лекция 5. Подземные воды

5.1 Общие сведения и значение подземных вод (ПВ)

Поры, трещины, полости различных размеров в породах ЗК полностью или частично заполнены гравитационной водой, перемещающейся под действием разности напоров в сторону их уменьшения. Движение свободной (подземной) воды в условиях полного заполнения пор или трещин пород называется фильтрацией.

Слой или несколько слоев пород, содержащих воду, образуют водоносный горизонт. Для него выделяют области питания, распространения и разгрузки.

ПВ имеют большое значение. Они широко используются для водоснабжения, в различных областях промышленности, энергетики, медицины и др. Не менее важно, что ПВ влияют на все геологические процессы, в том числе опасные. Примером служат прорывы ПВ и плывунов в котлованы и другие выработки, оползни, пучение при промерзании, наледи и др. Охрана ПВ от истощения и загрязнения - важнейшая задача экологии.

5.2 Физические свойства и химический состав ПВ

К основным физическим свойствам относятся температура, цвет, прозрачность, мутность, вкус и запах.

Показателями химического состава являются:

1. Водородный показатель pH; при pH = 7 вода нейтральная, при pH < 7 кислая и при pH >7 щелочная.

2. Общая минерализация воды, оцениваемая по сухому остатку после выпаривания. Выделяют воды пресные (сухой остаток меньше 1 г/л), солоноватые (1…10), соленые (10…50) и рассолы при большем содержании.

3. Содержание катионов и анионов. По катионному составу различают воды кальциевые, магниевые и натриевые; по анионному - гидрокарбонатные, сульфатные, хлоридные.

4. Содержание сероводорода, углекислоты и других газов.

Анализ химического состава позволяет установить вид и степень агрессивности ПВ по отношению к строительным конструкциям, а также жесткость воды.

В изменении химического состава ПВ установлена зональность по распространению в плане и по глубине: с севера на юг и сверху вниз состав меняется от пресных гидрокарбонатно-кальциевых к сульфатным и наконец, хлоридным. Исключением являются азональные воды - болотные, речных долин, карстовые.

По характеру заполняемого водой пространства выделяют поровые, трещинные и карстовые подземные воды.

5.3 Виды ПВ по условиям залегания

По условиям залегания выделяют следующие основные виды ПВ: верховодка, грунтовые, межпластовые.

Верховодкой называются временные скопления ПВ в зоне аэрации (рис.5.1), приуроченные к линзам и прослойкам малопроницаемых пород в общей водопроницаемой толще. Питание за счет атмосферных осадков. Возможно образование куполов верховодки в лессах при значительных утечках из сетей водоснабжения и водоотведения. В сухой период верховодка может полностью исчезать. Воды ненапорные, легко загрязняются с поверхности. Верховодка может вызвать неожиданное затопление котлованов, подвалов зданий, хотя в период изысканий она могла и отсутствовать.



Рис. 5.1. Типы подземных вод по условиям залегания:

1 - верховодка; 2 - грунтовые; 3 - межпластовые;

4 - линза глины; 5,6 - водоупоры

Грунтовые воды - постоянный и значительный по площади горизонт ПВ, залегающий на первом от поверхности грунта водоупоре. Характеризуются следующими свойствами:

- питание за счет атмосферных осадков, иногда также за счет поверхностных вод;

- области питания и распространения совпадают;

- воды ненапорные;

- связь с поверхностными водами;

- легкая загрязняемость.

Обобщая последние свойства, можно заметить, что для грунтовых вод характерна изменчивость их режима - положения зеркала или уровня (УГВ), направления и скорости движения, химического состава, температуры и других физических свойств. УГВ может меняться в зависимости от многих природных и техногенных факторов: метеорологических, гидрологических, тектонических, техногенных. Действие первых двух очевидно. Тектонические движения в виде длительных поднятий приводят к углублению эрозионных врезов (овраги, лога, русла рек) и следовательно, к понижению УГВ.

Деятельность человека может приводить как к повышению УГВ (создание водохранилищ, утечки из инженерных сетей и др.), так и к понижению - при осушении болот, длительных откачках и т.д.

Процесс поднятия УГВ называется подтоплением. Он распространен во многих городах, особенно юга РФ. Например, в Ростове за 45 лет УГВ на территории завода Россельмаш поднялся на 18…20 м. Следствием явились просадки в лессах и повреждения некоторых зданий.

Грунтовые воды широко используются для водоснабжения.

Межпластовые подземные воды - это более глубокие водоносные горизонты между водоупорами. В редких случаях они бывают ненапорными, но обычно обладают напором. Напорные межпластовые воды называются артезианскими (рис.5.2).

Рис. 5.2. Межпластовые артезианские воды:

1 - водоносный слой; 2 - водоупоры; 3 - пьезометрический уровень;

4 - поверхность земли; 5,6 - скважины.

Области: О₁ - питания; О₂ - напора; О₃ - разгрузки;

О₁+О₂+О₃ - распространения

В отличие от грунтовых, у артезианских вод область распространения не совпадает с областью питания, а область разгрузки может отсутствовать. При вскрытии водоносного слоя скважиной уровень воды установится выше кровли слоя - на пьезометрическом уровне. Если последний выше поверхности грунта в данном месте, скважина будет самоизливающейся. Режим артезианских вод более постоянный, с поверхности воды не загрязняются.

Геологические структуры синклинального типа, содержащие несколько водоносных горизонтов и занимающие большие площади, называются артезианскими бассейнами.

5.4 Закономерности движения подземных вод

Основной закономерностью является приведенный ранее закон Дарси, который можно записать также в объемной форме:

Q = k A I. (1)

С использованием зависимости (1) решаются разнообразные задачи - определение расхода потока, дебита скважин, притока воды в котлованы и к водозаборам и др.

Например, определим расход потока Q, т.е. объем воды, переносимый им в единицу времени. Пусть вода фильтрует на расстояние L в слое шириной В (см. рис. 4.1). Подставляя в формулу для Q выражения A = (H + h)B/2 и I = (H - -h)/L, получаем нужную формулу:

Q = k (H² - h²)B/2L. (2)

При решении практических задач используют удельный расход - расход в единицу времени на единицу ширины потока, то есть Q₁ = k (H² - h²)/2L.

Рассмотрим определение притока к водозаборам. Они могут быть горизонтальными (канава, водосборная галерея) и вертикальными (скважина, колодец). Если водозабор вскрывает водоносный слой на всю его мощность, он называется совершенным; в противном случае - несовершенным.

Откачка воды сопровождается понижением уровня воды в скважине, распространяющимся на некоторое расстояние - радиус влияния R. Вокруг скважины образуется депрессионная воронка. Примерные значения радиуса влияния: для гравия 1км, крупного песка 0,5 км, мелкого 100…200м, для суглинка 50 м.

Определим приток к совершенному горизонтальному водозабору - канаве, пройденной вдоль потока, с шириной 2а и длиной L (рис. 5.3).

Рассматриваем установившийся режим, когда с каждой стороны поток фильтрует через поперечное сечение A = y L при градиенте напора I = dy/dx. Подставляя эти выражения в формулу (1), разделяя переменные, интегрируя и разрешая относительно q, получаем:

Q = k L (H² - h²)/ (R - a).

Поскольку a<<R, поправка на полуширину практического значения не имеет и можно принять

Q = k L (H² - h²)/ R и соответственно Q₁ = k (H² - h²)/R.

В таком виде формула непосредственно следует из (2) при замене B на L и удвоении притока.

Точно также получается решение для вертикального водозабора - скважины диаметром 2а. Согласно схеме на рис.5.3, в этом случае площадь будет A = 2р xy. Проводя далее решение аналогично предыдущему, получаем формулу Дюпюи:

Q = рk(H² - h²)/(lnR - lna).

Для напорных подземных вод порядок вывода формул расхода аналогичен.

Рис. 5.3. Схема к определению притока к горизонтальному водозабору:

1 - УГВ; 2 - кривая депрессии; 3 - водоупор

Лекция 6. Экзогенные процессы. Выветривание и элювий. Геологическая работа атмосферных вод

Совокупность процессов и порождаемых ими явлений характеризует геодинамическую обстановку территории, выявление которой - основная задача инженерной геодинамики. Поскольку эндогенные процессы ранее рассмотрены, перейдем к процессам внешней динамики земли - экзогенным. Их проявления разнообразны и мы сталкиваемся с ними буквально на каждом шагу.

6.1 Выветривание, его виды

Выветривание - это процесс разрушения и изменения состава пород вследствие колебаний температуры, замерзания и оттаивания воды, химического воздействия воды, растворенных в ней газов, кислот и щелочей, под действием ветра, растений и животных и др. Выветривание наиболее интенсивно протекает на поверхности земли, но распространяется и в глубину, особенно по зонам ослабления в породах - трещинам, разломам.

Различают выветривание физическое, химическое и биологическое или органическое. Физическое выветривание преобладает в условиях резко континентального или холодного климата и его значение состоит в раздроблении, дезинтеграции пород (см. обломочные ОГП). При химическом выветривании меняется минералогический состав пород. Активные реагенты при этом - вода, кислород, углекислота, органические кислоты. Наиболее общие процессы химического выветривания - растворение, гидратация, окисление, гидролиз; некоторые процессы называют по характеру образующихся при этом минералов: каолинизация, карбонизация, серпентинизация и др. Биологическое или органическое выветривание, связывая его с действием живых организмов; примеры биологического выветривания - действие корней растений, мхов и лишайников, животных - землероев, различных микроорганизмов.

В природе все виды выветривания протекают совместно, при определяющем влиянии того или другого, в зависимости от конкретных условий - климатических, геологических, гидрогеологических и др.

6.2 Кора выветривания и элювиальные отложения

В результате выветривания породы изменяются на некоторую глубину - обычно несколько метров, а в районах тропического климата до 100 метров. Эта зона сильно измененных пород вместе с почвой называется корой выветривания. Крупнообломочные и песчано-глинистые породы коры выветривания представляют собой элювиальные отложения или элювий. В общем случае кора выветривания имеет следующее строение (рис.6.1). Цифрами указаны:

1 - невыветрелая (материнская) порода; 2 - глыбовая зона, то есть выветрелая трещиноватая порода (вплоть до разборной скалы - рухляка); 3 - зона грубого дробления - крупнообломочный грунт (щебень, дресва с песчано-глинистым заполнителем); зона тонкого дробления: 4 - песок; 5 - глинистая порода; 6 - почва; 7 - уровень сноса пород (базис денудации а-а) или дно котлована; 8 - трещины выветривания; 9 - «острова» элювия среди разборной скалы.



Рис. 6.1. Кора выветривания:

1 - материнская порода; 2 - выветрилая скала; 3 - крупнообломочный грунт; 4 - песок; 5 - глинистая порода; 6 - почва; 7 - базис денудации;

8 - трещины выветривания; 9 - «острова» элювия среди скального грунта

Исходя из условий образования, элювиальные отложения представлены крупнообломочными, песчаными и глинистыми породами и характеризуются следующими свойствами:

- обломки имеют неокатанную, угловатую форму (щебень, дресва, хрящ); поверхность песчаных частиц шероховатая, что связано с отсутствием переноса материала;

- слоистость отсутствует, имеет место постепенный переход одной зоны в другую (рис.6.1);

- неоднородность механического состава;

- минералогический состав элювия связан с подстилающей материнской породой;

- наибольшее распространение и мощность элювия характерны для невысоких плоских водоразделов и отрицательных форм рельефа (понижений), где слабо проявляется денудация;

- нижняя граница элювия обычно неровная из-за разнообразия влияющих на выветривание факторов.

Возможность использования элювия в качестве основания сооружения зависит от мощности и вида грунта, его состава и состояния, а также от действующих нагрузок. Здания и сооружения с умеренными нагрузками успешно возводятся на элювиальных грунтах, особенно в районах широкого их распространения (Урал, Дальний восток). С другой стороны, для тяжелонагруженных особо ответственных сооружений (плотины, опоры мостов и др.) может потребоваться полное удаление выветрелых пород. Например, при возведении плотины Братской ГЭС снималось 1,5 метра верхней части слоя диабаза - основания плотины.

Особый характер имеет выветривание глинистых пород, происходящее в котлованах, откосах, подземных выработках. Увеличение влажности вызывает набухание породы с нарушением цементационных связей. Подсыхание приводит к усадке с появлением трещин. Аналогичные результаты может дать снятие части природной нагрузки (например, при отрывке котлована). Все такие изменения приводят к разупрочнению грунта и последующему разрушению. Это характерно и для таких полускальных пород, как аргиллиты, глинистые сланцы, мергели, опоки и др. Поэтому в строительных технологиях не допускаются длительные перерывы между разработкой котлована и бетонированием фундамента.

Выветривание - всеобщий процесс, действующий и на материалы искусственных сооружений, откосы выемок и насыпей и т.д. Защита от выветривания достигается нанесением на поверхности пород и материалов стойких покрытий или пропиткой их различными вяжущими.

6.3 Геологическая работа атмосферных вод

Выпадающие на землю осадки частично инфильтруют в почву и затем в породы, частично испаряются. Наибольшую же геологическую работу производит часть осадков, стекающая на поверхности в направлении ее уклона. Она захватывает и переносит частицы пород, отлагая их затем в местах падения скорости стока. Разрушающая работа текущей воды называется эрозией. Применительно к стоку атмосферных вод различают поверхностную эрозию, или смыв и глубинную - размыв.

А) Смыв и делювиальные отложения.

При смыве сток равномерно распределен по поверхности склона, так что вниз по склону сносятся глинистые, пылеватые и мелкие песчаные частицы. Отлагаясь и накапливаясь у основания склона или в его неровностях (рис.6.2), они образуют делювиальные отложения (делювий ), представленные обычно супесями и суглинками, часто с включениями полуокатанных обломков. Мощность отложений обычно первые метры; в горных районах до десятков метров. Генетически делювий связан с вышележащими по склону породами, наследуя их минералогический состав и морфологию частиц. Слоистость прерывистая и слабовыраженная, сортировка и окатанность частиц незначительные из-за малого переноса, плотность невысокая.

Рис. 6.2. Смыв и образования делювия:

1 - первоначальная поверхность склона;

2 - поверхность после смыва; 3 - делювий

Для практики очень важным свойством делювия является неустойчивое положение его на склоне и опасность смещений вниз (оползни) под действием природных (подмыв, землетрясение и др.) и техногенных факторов (подрезка склона, пригрузка насыпью и т.д.)

Б) Размыв. Оврагообразование, селевые потоки (сели).

Глубинная эрозия связана с двумя неблагоприятными, а зачастую опасными природными явлениями - оврагообразованием и селями.

Рост оврага может начаться с небольшой рытвины, промоины, нарушения почвенного покрова. Овраг растет вершиной (рис.6.3) по мере углубления и приближения к профилю равновесия при данном базисе эрозии (БЭ). После этого рост оврага прекращается, склоны его выполаживаются, он зарастает, превращаясь в балку. Однако при понижении БЭ (например, при земляных работах в этой зоне) рост оврага возобновляется, размыв усиливается, особенно в приустьевой зоне и постепенно будет вырабатываться новый профиль равновесия. Такое развитие называют омоложением оврага.

Вынесенный временными потоками воды материал отлагается в устье оврага, образуя конус выноса. Оврагообразование сокращает посевные площади, усложняет строительство дорог, увеличивая количество искусственных сооружений. В борьбе с оврагами большое значение имеют профилактические меры - лесомелиорация и регулирование поверхностного стока.

Рис. 6.3. Схема роста оврага и изменение поперечного сечения:

1 - промоина; 2 - устье; 3 - вершина; 4 - ложе; 5 - направление роста оврага; 6 - профиль равновесия; 7 - базис эрозии; 8 - конус выноса

В) Сели и пролювиальные отложения

Сели - это водо- или грязекаменные потоки, периодически возникающие в горных и предгорных областях после ливневых дождей, интенсивного таяния снега или ледника. Стекающая со склонов вода захватывает и переносит самый различный обломочный материал - от валунов и глыб до мелкозема . Все это выносится и отлагается в долинах и на предгорных равнинах, образуя обширные конусы выноса. Сливаясь, они создают сплошные шлейфы пролювиальных отложений большой мощности (до 100…150 м). К пролювию относятся также отложения конусов выноса оврагов, имеющие меньшие распространение и мощность.

Сели представляют большую опасность для сооружений, повреждая дороги, разрушая искусственные сооружения. В РФ насчитывается около пяти тысяч селеопасных бассейнов - Кавказ, Саяны, Прибайкалье, горные хребты по трассе БАМ.

В зоне действия селя выделяются: бассейн селя, т.е. площадь сбора воды и обломочного материала; русло; область отложения. Соответственно зонируются и противоселевые мероприятия. В первой зоне это лесомелиорация, способствующая закреплению обломочного материала, создание систем водосбора и водоотведения. При расположении сооружений во второй зоне применяют селеотбойники, селеуловители, селенаправляющие дамбы, а при известном русле селя - селедуки для пропуска селя над дорогой. Для второй и третьей зон может быть конкурентоспособным и тоннельный вариант трассы дороги.

Лекция 7. Геологическая работа рек и аллювиальные отложения

Большая часть стока атмосферных осадков попадает в постоянные поверхностные водотоки - реки. Их геологическая работа - разрушение горных пород, перенос и отложение продуктов разрушения, т.е. создание речных, или аллювиальных отложений. В конечном счете, реки, как и рассмотренные ранее временные потоки, являются фактором денудации, приводя к сглаживанию, выравниванию земной поверхности. В итоге длительной работы эрозии и аккумуляции реки вырабатывают особую форму рельефа - речную долину, проходя в своем развитии ряд стадий.

В начальной стадии для реки характерны большие уклоны и соответственно скорость течения, интенсивная эрозия с выносом всего обломочного материала в принимающий бассейн. Долина узкая и глубокая, типа теснины или ущелья. Это стадия молодости, типичная для горных рек.

По мере приближения к предельному профилю равновесия уклоны уменьшаются, скорость течения падает, глубинная эрозия сменяется боковой. Берега размываются, увеличивается ширина долины, возникают излучины (меандры), русло блуждает по широкой долине (рис.7.1). Река мелеет, появляются отмели, перекаты, косы, старицы. Такие реки, типичные для равнин, находятся в стадии старости.



Рис. 7.1. Меандры рек, плесы (1) и перекаты (3):

2 - прирусловая отмель; 4 - часть прежнего русла; 5 - место прорыва;

6 - старица

Формы речных долин очень разнообразны, так как зависят от многих взаимосвязанных факторов - тектоники, геологического строения и типа пород, рельефа. Характерное строение долины равнинной реки приведено на рис.7.2.

В зависимости от условий образования речные, или аллювиальные отложения делятся на русловые, пойменные, старичные и дельтовые. Русловые отложения залегают в нижних горизонтах, причем наибольшая их мощность может оказаться в стороне от современного русла. Это связано с изменениями положения русла в долине, его меандрированием, наличием рукавов. Пойменные отложения составляют верхние горизонты, а старичные представляют отложения стариц, залегая в виде линз.



Рис. 7.2. Речная долина: 1 - русло; 2 - пойма; 3 - первая надпойменная терраса; 4 - склон долины; 5 - аллювиальные отложения

Русловой аллювий представляет собой наиболее крупные обломки - валуны, гальку, гравий, песок; в равнинных реках последний преобладает. Вследствие частых изменений направления и скорости течения потока для руслового аллювия характерны выклинивание и смена отложений на малых расстояниях, косая слоистость. При достаточной мощности русловой аллювий - а наибольшая толща его может быть и в стороне от современного русла - является хорошим основанием опор мостов. Часто используется также как строительный материал - заполнитель бетона и др.

Пойменный аллювий отлагается на пойме во время паводков. Это мелкие и пылеватые пески, супеси, суглинки, часто обогащенные органикой. Характеризуются тонкой горизонтальной слоистостью, значительной пористостью. Могут включать погребенные почвы, указывающие на перерывы в осадконакоплении.

Старичный аллювий отлагается в старицах - старых отделившихся от русла рукавах и излучинах рек. Для них характерны периодические затопления, заболачивание. В результате старичный аллювий представлен иловатыми песками, илами и глинистыми породами, а также торфом. Это слабые водонасыщенные, сильносжимаемые грунты.

Дельтовый аллювий образуется в устьях рек; представлен мелко- песчаными и глинистыми грунтами, илами. Залегает наклонными слоями с постепенным уменьшением мощности в сторону бассейна.

Берега рек, речные долины издавна осваивались и заселялись человеком. Здесь расположены многие крупные города, ведется масштабное строительство. При этом речные долины имеют сложные рельеф, геологическое и гидрогеологическое строение. Аллювиальные отложения, слагающие дно долины, пойму, надпойменные террасы, не выдержаны по глубине и простиранию. На коренных склонах они могут перекрываться делювиальными отложениями, часто подверженными оползням. Водоносные горизонты могут быть связаны с речными водами. В аллювиальных песках возможно проявление плывунов. Во многих долинах встречаются переуглубленные участки древнего русла. Большое значение имеют экологические вопросы. Все эти аспекты должны выясняться, анализироваться при инженерно-геологических изысканиях.

Лекция 8. Геологическая деятельность морей, озер и болот

8.1 Геологическая деятельность морей и морские отложения

порода геологический подземный температура

Масштабы деятельности морей и океанов огромны. Она проявляется в виде разрушения пород берега и прибрежной зоны, переноса этих продуктов, а также материала, вынесенного поверхностными водами. Образующиеся осадки совместно с остатками морских организмов и растений, солями и пр. со временем преобразуются в ОГП морского происхождения (генезиса).

В прошлые геологические эпохи многие участки, ныне являющиеся сушей, неоднократно на длительное время затапливались. Этим объясняется повсеместная распространенность морских отложений.

Процессы разрушения, переноса и отложения протекают по - разному на различных участках моря или океана. В этом отношении выделяются:

- материковая отмель (шельф) до глубины 200 м;

- материковый склон при глубинах 200…2500 м;

- океаническое ложе (2500…6000м);

- глубокие впадины.

Наибольшую разрушительную работу совершают ветровые волны - морской прибой; в меньшей степени приливно-отливные и прибрежные течения. Постоянные удары волн приводят к образованию волноприбойной ниши, затем к обрушению нависающих пород (рис.8.1). В результате морской берег разрушается и отступает со скоростью, зависящей от глубины у берега, строения и прочности пород. Обрушившиеся породы интенсивно обрабатываются водой и постепенно у берега формируется пляж, гасящий энергию волн и предохраняющий берег от дальнейшего разрушения.



Рис. 8.1. Схема абразии (а) и влияние характера напластования (б)

Разрушительная работа моря называется абразией. В результате ее на берегу образуются волноприбойные террасы, которые могут быть сложены как коренными породами, так и обломочным материалом. В связи с колебательными ТД и соответственно наступлением (трансгрессия) и отступлением (регрессия) моря указанные террасы могут располагаться как выше современного уровня моря, так и ниже его.

Для противодействия абразии применяются волноломы, волноотбойные стенки, буны. Большое значение имеют меры по сохранению пляжа или восстановлению его.

Геологическая работа моря приводит к образованию всех типов ОГП. При этом в разных зонах накапливаются осадки определенного типа.

У самого берега накапливаются наиболее крупные обломки - валуны, галька, гравий. На шельфе продолжается поступление обломочного материала, все более мелкого с увеличением глубины. Эта зона насыщена флорой и фауной, при отмирании которой накапливаются органогеновые осадки. В итоге здесь формируются пески, песчаники, илы, синие и черные глины, известняки.

В зону континентального склона поступает лишь пылевато-глинистый материал, участвующий в формировании химических и биохимических пород: мергелей, мела, известняков.

В глубоководную зону обломочный материал с суши не поступает. В образовании осадков участвуют растворенные в воде вещества, космическая пыль, продукты извержения подводных вулканов. Образуются красные глины, мел, кремнистые отложения. С учетом указанного порядка смены состава отложений для геологического разреза определенного участка можно установить, имело место наступление (трансгрессивный разрез - снизу вверх конгломераты, песчаники, известняки, глины) или отступление моря (регрессивный разрез с залеганием пород в обратном порядке).

Своеобразным видом морских отложений являются лагунные. Лагуны представляют собой отделившиеся мелководные участки моря, отрезанные косами и пересыпями, созданными вдольбереговыми течениями. Характер отложений в них зависит от климата, степени солености и др. Чаще всего это химические ОГП - сульфаты и галоиды.

Для морских отложений характерна высокая степень обработки и сортировки материала, правильная горизонтальная слоистость, большие распространенность в плане и мощность слоев.

В целом древние морские отложения обычно характеризуются значительной плотностью, цементацией и соответственно высокой прочностью и малой сжимаемостью. Однако при вскрытии они быстро выветриваются. Четвертичные морские отложения могут быть и слабыми, сильносжимаемыми. В качестве примера можно сопоставить характерные для района СПб верхнепротерозойские котлинские глины твердой консистенции (влажность 0,14; плотность 2,2 т/м³; коэффициент пористости 0,45; показатель текучести -0,18; модуль деформации 39 МПа) и четвертичные литориновые , для которых перечисленные характеристики равны соответственно 0,46; 1,75; 1,81; 1,39 и 3,5. В особенности слабыми являются современные отложения типа морских илов.

8.2 Озера и озерные отложения

Озера не имеют непосредственной связи с морем. По происхождению различают озера тектонические, эрозионные, карстовые и плотинные, или запрудные. К последним относятся также искусственные водохранилища.

Геологическая работа озер подобна работе морей, но совершается в меньших масштабах. В береговой зоне проявляется абразия и возникают абразионные террасы. Изменения положения уровня воды приводят к изменению очертания берегов. При подъеме уровня воды происходит переработка берегов. Например, после строительства Иркутской ГЭС уровень воды в озере Байкал поднялся на один метр, что вызвало переработку берегов на 10…80 м и создало угрозу отдельным участкам Восточно-Сибирской ж.д. Прогноз переработки берегов особенно важен при создании крупных водохранилищ.

Вид и свойства озерных отложений разнообразны и зависят от размеров и глубины озера, климата, рельефа прилегающих территорий и других факторов. В больших озерах условия осадконакопления подобны морским: ближе к берегу накапливается обломочный материал, в средней части - глинистые осадки.

Озерные отложения четвертичного возраста представлены обычно илами и глинистыми породами от мягкопластичной до текучей консистенции. В районах с влажным климатом озерные отложения обогащены органикой, могут содержать прослои торфа, озерного ила - сапропеля. В составе дочетвертичных, коренных озерных отложений могут быть глины, аргиллиты, алевролиты, т.е. более прочные породы. В засушливых районах глинистые отложения перемежаются с химическими - сульфатами и галоидами.

По площади распространения озерные отложения всегда меньше морских, менее выдержаны по простиранию, имеют меньшую мощность. В них часто наблюдается тонкая слоистость, связанная с сезонными изменениями условий осадконакопления: в теплый период года сносится и отлагается более крупный материал, в зимний - мелкий. Соответственно возникающие породы анизотропны, так как имеют ленточную текстуру с чередованием тонких песчаных и глинистых слойков.

8.3 Болота и болотные отложения. Строительная оценка болот

Болотом называется избыточно увлажненный участок с развитой на нем влаголюбивой растительностью и значительным (более 0,3м) слоем торфа. Болота широко развиты на Севере Европейской части РФ, в Сибири. Возникает болото как результат процесса заболачивания, развивающегося при избыточном увлажнении, затрудненном поверхностном и подземном стоке, малом испарении. По происхождению и условиям питания выделяют болота низинные, верховые и переходного типа.

Низинные болота образуются в процессе зарастания озера или пруда. Развитие растительности и накопление ее после отмирания приводит к заторфовыванию водоема. Низинные болота в поймах рек называются пойменными. Если у верховых болот питание только за счет атмосферных осадков, то у низинных еще за счет подземных и поверхностных вод. Поэтому растительность последних более разнообразна, а торф больше минерализован и зольность его выше.

При строительной оценке обязательно учитывается тип и генезис болота. Верховые болота обычно имеют небольшую глубину ( до 2…3 м), однородный ботанический состав и малую степень разложения торфа, низкую зольность. Минеральное дно близко к горизонтальному и сложено прочными грунтами. Под нагрузкой торф уплотняется, так что прочность его возрастает. Болото легко осушается дренажными устройствами.

Низинные болота даже при небольшой площади могут иметь значительную глубину (более 5 м), переменные с глубиной ботанический состав и степень разложенности торфа. В торфянике встречаются прослои и линзы минеральных грунтов. Минеральное дно часто сложено слабыми грунтами. Под нагрузкой торф не уплотняется, а выжимается. Болото с трудом поддается осушению.

При строительной оценке болота учитывается весь комплекс факторов: глубина, физико-механические свойства торфа, рельеф минерального дна и свойства слагающих его пород, химический состав и степень агрессивности болотных вод и др. В дорожном строительстве принято выделять три типа болот. Первый тип - мощность торфа до 3 метров, торф не выдавливается под нагрузкой, дно ровное. Под насыпью может быть оставлен слой торфа, при условии обеспечения ее устойчивости. Болота второго типа при мощности торфа до 6 метров и торфе неустойчивой консистенции, выдавливающемся под нагрузкой; минеральное дно ровное. В болотах третьего типа большая мощность торфа, в том числе текучей консистенции, наклонное минеральное дно, участки открытой воды.

Болотные отложения представлены обычно торфом, иногда подстилаемым озерным илом - сапропелем. Торф представляет собой, в зависимости от степени разложения растительных остатков, волокнистую, землистую или пластичную массу от светло-бурого до черного цвета. Твердая фаза торфа состоит из растительных остатков, гумуса и минеральных веществ, остающихся в виде золы после сгорания торфа. В природном состоянии торф имеет свойства, резко отличающие его от минеральных грунтов, что видно из следующих средних значений характеристик: влажность больше единицы и до 7…14, плотность 1,05…1,1 т/м³; плотность частиц 1,4…1,8 т/м³; пористость 0,85…0,95; коэффициент пористости 6…19; модуль деформации 0,1…0,2 Мпа. По водопроницаемости плохоразложившийся торф приближается к пескам, а хорошоразложившийся - к глинистым грунтам. Болотные воды имеют обычно низкие значения водородного показателя ph и агрессивны по отношению к строительным конструкциям.

Лекция 9. Геологическая работа ледников и ледниковые отложения

Ледниками называют большие скопления льда, то есть замерзшей воды. В обычных условиях лед хрупок и легко разрушается. В то же время в больших массах проявляются также такие свойства льда, как пластичность и текучесть. Именно с ними связано движение ледников. Установлено, что при высоте ледника 60 метров под действием своего веса он перемещается (течет) по подстилающей плоскости при наклоне ее всего один градус.

Работа ледников наглядно проявляется в горах. В движущийся отдельными языками ледник попадают глыбы, куски скал, оторванные с ложа и боков углубленного русла. Этот материал (морена) переносится ледником в большом количестве. При таянии льда морена откладывается и перерабатывается потоками талых вод. Горные ледники подразделяются на альпийские (высокогорные) и скандинавские (ледники плоскогорий).

В отличие от горных, материковые ледники имеют огромные площадь распространения и мощность: в Антарктиде до 4200м, в Гренландии до 2400. Поэтому их работа еще более масштабна, вплоть до смятия верхних слоев ЗК в складки (гляциодислокации) и влияния на характер ТД. В общем в настоящее время ледники занимают 11% земной поверхности, их общий объем 30 млн. куб. км.

На указанных территориях протекает современная эпоха оледенения. Установлено, что в истории Земли оледенения происходили неоднократно. Наиболее крупные, охватившие почти все северное полушарие, происходили в четвертичный период. Для Европейской части России установлено четыре оледенения: Окское (Лихвинское)- раннечетвертичное, Днепровское, Московское (оба среднечетвертичные) и последнее - Валдайское (Осташковское) - позднечетвертичное; эпохи между ними называются межледниковыми, а современная - послеледниковой. Для территории СПб она насчитывает около 20 тыс. лет.

Разрушительная работа льда (экзарация или ледниковая эрозия) проявилась в образовании эрозионных форм ледникового рельефа: вытянутых в направлении движения ледника корытообразных долин - трогов; замкнутых котловин - ванн выпахивания; сглаженных скал с бороздами и царапинами на них. Такие ассимметричные скалы получили название «бараньи лбы», а их группы называют курчавыми скалами.

При таянии ледника переработка талыми водами обломочного материала и его отложение образовали такие аккумулятивные формы рельефа, как валы конечных морен, озы, камы, друмлины, зандровые поля. Конечные морены представляют собой возвышения до десятков метров высотой, сложенные переносимым льдом обломочным материалом, обрамляющие язык ледника; они обозначают границу распространения ледника. Озы - вытянутые по направлению движения ледника гряды с пологими склонами и плоской вершиной (напоминающие сглаженные насыпи), сложенные песками и гравийно-галечниками, переносимыми внутриледниковыми потоками. Камы - холмы, сложенные отложениями внутриледниковых озер. Друмлины - овальные в плане холмы, ядро которых сложено коренными породами, а с поверхности перекрыто отложениями ледника. Зандровые поля сложены песками, это дельты ледниковых потоков, разливающихся за краем ледника на равнине.

Ледниковые отложения делятся на моренные (g) и водно-ледниковые, подразделяющиеся в свою очередь на флювиогляциальные (f) и озерно-ледниковые (lg).

Мощность моренных отложений обычно 2…5 м, в понижениях может быть больше. По составу это супеси и суглинки с включением обломков различной крупности (до глыб и валунов, отсюда название таких отложений - валунная глина). Плотность высокая, до 2,2 т/м³, очень неоднородны, консистенция от тугопластичной до полутвердой. Водопроницаемость мала и породы часто являются водоупором. Прочность моренных отложений значительна, сжимаемость мала, так что они могут служить надежным основанием. В толще морены слоистость отсутствует, цементация также, содержание пылеватой фракции высокое, вследствие чего в воде грунт легко размокает. Вообще, при повышении влажности моренных супесей на 4-6%, а суглинков на 10-20% прочность их резко падает; на склонах это может привести к развитию оползней. В толще морены могут встретиться валуны (иногда ошибочно принимаемые за кровлю скальных пород), а могут быть карманы и линзы водоносных песков с напорными водами.

Флювиогляциальные отложения представлены разнозернистыми песками, гравием, галькой. Слагают отмеченные выше аккумулятивные формы рельефа - озы, камы; зандры чаще представляют собой отложения песков. Часто используются как месторождения местного строительного материала. Образуют напорные межморенные водоносные горизонты. Например, на территории СПб выделено два таких горизонта - верхний межморенный (Полюстровский) и нижний, менее распространенный, развитый в древних эрозионных размывах. Флювиогляциальные отложения могут иметь различную плотность сложения, вплоть до рыхлого состояния. Поэтому при динамических воздействиях сильно уплотняются. Мелкозернистые пески могут переходить в плывунное состояние.

Озерно-ледниковые отложения по составу обычно суглинки, реже супеси и глины. Характерной их чертой является ленточная текстура с чередованием тонких слойков песчаного и глинистого материала из-за отмеченного ранее влияния сезонности осадконакопления. Поэтому отложения такого типа названы ленточными глинами, хотя отмеченная слоистость не всегда четко выражена.

Ленточные глины часто оказываются слабыми грунтами с высокой влажностью, значительной сжимаемостью (Е = 5…7 Мпа) и чувствительностью к нарушению природного сложения. Из-за ленточной текстуры они анизотропны, особенно по водопроницаемости: коэффициент фильтрации вдоль напластования гораздо больше, чем перпендикулярно к нему.

Лекция 10.Геологическая работа ветра. Образование и свойства эоловых отложений. Человек как геологический фактор. Техногенные отложения

10.1 Геологическая работа ветра и эоловые отложения

Ветер, подобно уже рассмотренным факторам, производит большую геологическую работу во всех трех ее составляющих: разрушение пород, перенос и отложение. Разрушительная работа - это сочетание выдувания (дефляция) и обтачивания (корразия). Выдувание заключается в отрыве частиц пород и их уносе. В результате образуются понижения рельефа - котловины выдувания, достигающие иногда значительных размеров. Корразия подобна действию пескоструйного аппарата; в районах ее развития известны такие явления, как появление матовости оконных стекол, истончение проводов и т.п. Совместное действие дефляции и корразии в каменистых пустынях приводит к образованию останцов - причудливой формы скал в виде арок, грибов, фигур животных; в протяженных скалах - каменных городов и т.п.

Частицы пород переносятся ветром перекатыванием и во взвешенном состоянии, в зависимости от скорости ветра и размера частиц. Тонкопесчаные, пылеватые, глинистые частицы могут переноситься на сотни и тысячи километров. Известны связанные с этим явлением природные катастрофы - песчаные и пыльные бури. Создаваемые ветром отложения и формы рельефа называются эоловыми. К эоловым отложениям относятся пески и лессы.

Эоловые пески образуются за счет развевания продуктов физического выветривания пород, а также перевевания отложений различного происхождения - речных, морских. Отлагаемые пески создают эоловые формы рельефа - неподвижные и подвижные. К первым относятся бугристые и грядовые пески, закрепленные растительностью и утратившие подвижность. К подвижным относятся дюны, образующиеся на берегах морей, крупных озер и рек; барханы, типичные для пустынь. Например, дюны на побережье Балтики имеют высоту до 20м, а в общем до 50м, редко больше. Скорость перемещения их в направлении господствующих ветров от 10 до 20 метров в год. Барханы, распространенные в песчаных пустынях, могут достигать высоты 200м, создавая многорядные цепи барханов - песчаные моря.

Для эоловых песков характерны мелкая зернистость с преобладанием частиц 0,05 - 0,25 мм, хорошая отсортированность, слабая окатанность, косая быстро меняющаяся слоистость. Пористость значительная на поверхности (до 50%) и уменьшается с глубиной. В минеральном составе преобладает кварц.

Подвижные пески представляют большую опасность для сооружений и сельхозугодий: песком заносятся дороги, каналы и др. Для защиты применяются различные мероприятия:

- закрепление песков растительностью (фитомелиорация);

- применение поперечных профилей земляного полотна без резких переломов и перепадов высоты; при этом ветропесчаный поток плавно обтекает профиль, не образуя заносов. Могут также применяться средства механической защиты от песчаных заносов (заборы, щиты);

- закрепление поверхностного слоя песка от выдувания.

Особенности лессовых отложений были охарактеризованы ранее; подробнее механизм просадочности и его проявления рассмотрены в следующей лекции. Основными причинами просадочности являются высокая пористость и неустойчивость природного сложения грунта при обводнении и высокой влажности, нехарактерных для типичных континентальных условий формирования породы.

10.2 Геологическая деятельность человека. Техногенные отложения

...