Геологические и эндогенные процессы в природе

Масштабы воздействия человека на природную среду вообще и геологическую в частности постоянно растут. Особенно это проявляется в крупных городах, на территориях промышленных комплексов. Нивелируется природный рельеф, заменяясь антропогенным. Меняется гидрографическая сеть и режим рек. Подземное пространство пронизано инженерными сетями, тоннелями, насыщено различными конструкциями и сооружениями; существенно изменяется его температурно-влажностный режим. Застройка и покрытия улиц резко меняют условия и соотношение стока, инфильтрации и испарения. Меняются гидрогеологические условия; в пределах мегаполисов образуются огромные депрессионные воронки глубоких водоносных горизонтов. Для грунтовых вод, напротив, часто отмечается подъем их уровня - подтопление. Оно может инициировать неблагоприятные геологические процессы.

Одно из важных следствий хозяйственно-строительной деятельности, имеющее общегеологическое значение - это накопление техногенных отложений (культурного слоя). Их можно разделить на следующие группы.

1. Природные образования, перемещенные с мест их естественного залегания различными транспортными средствами, взрывом (насыпные грунты) или средствами гидромеханизации (намывные грунты).

2. Антропогенные образования, представляющие собой отходы хозяйственно-бытовой и производственной деятельности человека с коренным изменением состава и свойств исходного сырья. Хозяйственно-бытовые отходы представлены свалками бытовых отбросов, строительного мусора и т.п. Промышленные отходы представлены золами и шлаками различного происхождения - топливными, металлургическими; отвалами пустой породы при угледобыче (терриконы), а также шламами - отходами горнообогатительного, электрохимического и других производств (хвостохранилища).

3. Природные образования, существенно измененные по составу и свойствам в условиях их естественного залегания - например, при цементации, силикатизации, электрохимическом закреплении грунтов и т.п.

Таким образом, техногенные отложения очень разнообразны - от разновидностей, близких к природным, до грунтов, не имеющих природных аналогов. Соответственно разнообразны их свойства, даже в пределах одной группы. За исключением пород третьей группы, то есть для всех насыпных и намывных грунтов, отвалов и свалок характерной общей чертой является повышение их плотности со временем под действием собственного веса - самоуплотнение; это важно, поскольку их основные строительные свойства зависят от плотности. Цементация в таких грунтах отсутствует или незначительна. Длительность процесса самоуплотнения зависит от состава породы (исходного материала) и способа отсыпки, а намывных грунтов - и от характера основания. Ориентировочное время самоуплотнения насыпных грунтов принимается по нижеприведенной табл. 10.1 в следующих пределах.

Таблица 10.1

Для намывных грунтов время самоуплотнения зависит от скорости отжатия воды, то есть от водопроницаемости (от коэффициента фильтрации) как самого намываемого грунта, так и подстилающего природного основания. Последние в порядке уменьшения проницаемости можно разделить на песчано-гравийные, песчаные, органоминеральные ( с торфом и т.п.) и глинистые. Для выделенных классов время самоуплотнения намытого песка крупного или средней крупности составит соответственно 0,5; 1;2 и 3 месяца; для мелкого песка время удваивается. При намыве пылеватого песка на тех же основаниях время самоуплотнения составит уже 2;3;6 и 12 месяцев; при содержании в песке или супеси большого количества органики указанные цифры также удваиваются.

Наиболее неблагоприятные по своим свойствам отложения создаются в районах свалок с хозяйственно-бытовыми отходами. В них много химически активных веществ, гниющей органики, при разложении которой могут образоваться токсичные и взрывоопасные продукты. При фильтрации осадков через толщу таких отложений возможно загрязнение подземных вод.

Лекция 11. Геологические процессы, обусловленные действием поверхностных и подземных вод

К наиболее важным для строительства процессам такого рода относятся заболачивание, плывуны, суффозия, карст, просадки лессов. Заболачивание и просадочность лессовых грунтов были рассмотрены ранее.

Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, которые при вскрытии выработкой заплывают в нее, разжижаясь до состояния тяжелой вязкой жидкости. Прорывы плывунов в котлованы, другие выработки, тоннели часто приводят к тяжелым последствиям. Чаще всего плывунность проявляется в мелких, тонкозернистых песках; однако известны плывуны в крупных и гравелистых песках и даже в глинистых породах - супесях и суглинках.

Примеров осложнений в строительстве ( вплоть до аварий), связанных с плывунами, можно привести много. Возможно, наиболее масштабный - это прорывы плывуна в тоннель на участке метро Лесная - Площадь Мужества, имевшие место еще при строительстве (дважды, в апреле и июле 1974года, причем с повреждениями зданий, оказавшихся в зоне возникших просадок), а в 1995г имевшие следствием затопление тоннеля и прекращение движения на этом участке. Известны многочисленные случаи заплывания грунта в скважины при устройстве буровых свай, так что объем удаленного грунта намного превышал объем свай; в итоге возможно деформирование соседних зданий. Это же заплывание породы часто затрудняет бурение при изысканиях: в скважине образуется «пробка», прихватывающая буровой снаряд.

Подразделяют на ложные (или псевдоплывуны) и истинные. В ложных плывунность проявляется только при значительных градиентах напора фильтрующей воды; преимущественно это различной крупности пески вплоть до гравия.

В соответствии с характером плывуна применяются мероприятия при его проходке. Для псевдоплывунов применяется осушение грунта - водоотлив или глубинное водопонижение. Для истинных плывунов это может не дать эффекта из-за их низкой водоотдачи. Для них применяется электроосушение (электроосмос), а наиболее радикальным способом проходки выработок в плывунах является замораживание грунта.

Суффозией называется процесс выноса частиц грунта движущимися подземными водами и проявления этого процесса. При длительной суффозии в грунте увеличивается пористость, образуются полости и каверны, возможно оседание поверхности с образованием суффозионных воронок. Суффозия часто возникает на склонах речных долин при спаде паводка, в откосах водохранилищ при сработке (резком понижении) уровня воды. При этом уровень грунтовых вод понижается медленнее уровня поверхностных вод. В результате уменьшается устойчивость склонов, так что могут активизироваться смещения и обрушения масс пород (рис.11.1). С этим связано и само название явления - от латинского слова со значением «подкапывание».

Суффозия возникает при значительных градиентах напора и особенно в разнозернистых песках, когда размеры преобладающих фракций сильно отличаются (в 20 раз и более). Суффозия возможна и на контакте песчаных и глинистых слоев, также сильно отличающихся по составу. Отмеченные два фактора - неоднородность породы и значительные градиенты напора фильтрационного потока - необходимые условия суффозии; третьим очевидно необходимым условием является наличие области выноса, разгрузки потока от вынесенных частиц. Это котлован, скважина, любая выработка; но это может быть и порода с большим пространством пустот (пор и трещин), то есть с большей скважностью.

Рис. 11.1. Проявление суффозии:

1,2 - положения УГВ; 3 - суффозионная воронка

Суффозию следует отличать от подземного размыва, или эрозии, возникающей, например, при прорывах подземных водоводов и утечках из сетей водоснабжения и водоотведения.

В описанном виде суффозия представляет собой чисто механический процесс; иногда употребляется еще понятие «химическая суффозия», когда происходит растворение и вынос частиц породы или скрепляющего их цемента в растворенном виде. В объединенном виде эти два явления - растворение и вынос - называют выщелачиванием. Для некоторых рыхлых пород с примесями (чаще в рассеянном виде) растворимых минералов - сульфатов, галоидов - химическая суффозия повышает водопроницаемость грунта, тем самым усиливая действие механической, имеющей основное значение. Условия, когда выщелачивание имеет главное, определяющее процесс значение, относятся к другому рссматриваемому далее процессу карста.

Меры по предупреждению суффозии - снижение градиентов напора и соответственно скорости фильтрации; тампонирование скважин и старых колодцев; устройство обратных фильтров (когда крупность засыпки возрастает в направлении движения воды) при откачках воды; снижение водопроницаемости грунта нагнетанием в него цементного или глинистого раствора.

Карст - совокупность геологических явлений, связанная с выщелачиванием, т.е. растворением и выносом в растворенном виде горных пород поверхностными и подземными водами. При залегании растворимых пород непосредственно с поверхности или неглубоко от нее карст резко проявляется в рельефе, образуя карры, карстовые воронки, слепые долины и т.д. Карры - это чередующиеся борозды и гребни, покрывающие поверхность карстующегося массива с амплитудой высот до 1 - 2м. Карстовые воронки - углубления округлого сечения, суживающиеся книзу; в дне воронки часто видна щель (понор), в которую стекают поверхностные воды. Диаметр воронок - до десятков метров, глубина обычно в 2-3 раза меньше диаметра. Иногда воронки имеют почти отвесные стенки и большую глубину, представляя собой естественные шахты. При слиянии нескольких близко расположенных воронок образуются слепые долины. Описанные формы относятся к поверхностному (открытому) карсту.

Если растворимые породы залегают среди нерастворимых или перекрыты ими с поверхности на значительную глубину, то возможно развитие глубинного (подземного) карста, проявляющегося в образовании различной формы и размеров пустот в массиве горных пород - от каверн и полостей до пещер огромных размеров. При определенных условиях в эти пустоты происходят обрушения вышележащих пород- провалы, проявляющиеся также в рельефе.

Таким образом, процесс карста проявляется как в особых формах рельефа, так и в строении подземного пространства. В свою очередь, оба эти фактора определяют в районах развития карста особый режим поверхностных вод (например, исчезающие реки, озера) и подземных вод (высокие скорости движения, турбулентность).

Обратимся к главному из условий карста - растворимости пород. Как известно, наиболее растворимыми являются соли - каменная и калийная; среднерастворимыми - сульфатные (гипс и ангидрит) и труднорастворимыми карбонатные породы - известняки, доломиты, мел и др. с минералами кальцит и доломит. Однако по распространенности на первом месте карбонатный карст, за ним гипсовый, и на последнем месте соляной. Причин здесь несколько: большие распространенность и проницаемость карбонатных пород; галоидные породы обычно защищены с поверхности толщами слабопроницаемых пород; кроме того, они пластичны и поэтому нетрещиноваты.

На Северо-Западе России карст приурочен к ордовикским известнякам, в Московской области - к меловым и карбоновым, в Прикамье к пермским гипсам и т.д.

При инженерно-геологических изысканиях в карстовых районах прежде всего устанавливаются современные проявления карста, открытого и подземного. Для исследования последнего широко применяют геофизические методы. Для сульфатного и тем более соляного карста обязательно устанавливается интенсивность развития карста с учетом всех влияющих факторов.

При карбонатном карсте, скорость которого небольшая, основное значение имеют существующие карстовые формы, которые должны быть установлены при изысканиях. Важное значение имеет характер трещиноватости, так как расположение систем трещин формирует фильтрационный поток и соответственно расположение карстовых полостей.

Обнаруженные в закарстованном массиве каверны, полости, пустоты, должны быть заполнены цементнопесчаным или цементноглинистым раствором или бетоном. Трещиноватость пород устраняется нагнетанием в скважины жидкого стекла (силикатизация) или цементного раствора (цементация). Предпринимаются меры по защите от поверхностных вод - планировка, дренаж и др. В гидротехническом строительстве необнаруженные при изысканиях карстовые полости не раз приводили к невозможности заполнения водохранилища на запланированный объем из-за больших утечек воды.

Лекция 12. Геологические процессы, обусловленные действием силы тяжести

12.1 Обвалы

Обрушения больших масс пород называют обвалами, а отдельных глыб - вывалами. Происходят они на крутых или даже нависающих склонах (откосах) и связаны с условиями залегания и степенью выветривания пород, их трещиноватостью, подмывом или подрезкой склона, обводнением пород, землетрясениями, проведением на склоне работ, особенно с созданием динамических воздействий и др. Масштабы обвалов различны - от грандиозных, существенно изменяющих природные условия на значительной территории (рельеф, геологическое строение, гидрографию) с объемом порядка 10⁹ м³ до мелких с объемом первые единицы и десятки кубометров.

В горных районах указанные процессы часто представляют собой угрозу для строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог. При строительстве Кругобайкальской ж.д. (1900 - 1905г.г.) было построено 39 тоннелей, 50 противообвальных галерей, 14 км подпорных стен. За пять лет (1955 - 59 годы) на Закавказской ж.д. произошло 428 случаев горных обвалов. В общем на эксплуатируемых дорогах преобладают мелкие обвалы с объемом пород до 200 м³.

Очевидно, что обвал - внезапный и быстрый процесс, связанный с нарушением равновесия пород на склоне; но это результат длительного действия различных факторов, прежде всего выветривания и особенно при наличии активной тектоники с восходящими движениями. Спусковым механизмом обвала может быть землетрясение, какие-либо работы на склоне, особенно с динамическими воздействиями, сильные порывы ветра и другие, в том числе случайные факторы.

Борьба с обвалами и вывалами включает как профилактические мероприятия, так и активные с устройством защитных сооружений. К первым относятся наблюдения за склонами, их террасирование, лесомелиорация, обрушение отдельных опасных глыб. К противообвальным сооружениям относятся подпорные стенки, контрфорсы, облицовки и пояса с грунтовыми анкерами, противообвальные галереи, тоннели.

Лавины - обрушения масс снега с горных склонов, откосов выемок, висячих логов, происходящие обычно зимой и весной. По существу это обвалы снега, в которые вовлекаются глыбы и обломки горных пород. При большой скорости (до 200 км/час) и массе лавина обладает огромной разрушительной силой, усиливаемой действием идущей впереди ее воздушной волны. В местах отложения снега могут образоваться завалы до 50 метров толщиной. По влажности смещающегося снега лавины могут быть сухими или пылевыми, влажными и мокрыми; по характеру движения выделяют плоские лавины, или осовы со смещением по всей поверхности склона, лотковые с движением по ложбинам и ущельям и прыгающие с падением на отдельных участках. Лавиноопасными являются склоны с углом наклона 25 - 50⁰, причем более опасны выпуклые склоны.

Меры защиты от лавин в общем аналогичны противообвальным. К профилактическим здесь относятся мероприятия по недопущению или уменьшению снегонакопления на опасных склонах путем лесопосадок, расстановкой щитов, задерживающих снег в безопасных местах, террасирование склонов, обстрел из пушек с целью вызвать сход еще небольших, безопасных лавин.

Для защиты сооружений в местах схода лотковых лавин устраиваются отбойные дамбы - массивные каменные или бетонные стены, отводящие лавину; лавинорезы - треугольные дамбы, обращенные углом навстречу лавине. При ударе о лавинорез лавина делится на два потока с большой потерей энергии. Можно отметить, что по принципу лавинореза в горах Кавказа ориентировались старинные башни - углом навстречу лавине. Наиболее надежно защищают дорогу навесы и галереи, аналогичные противообвальным.

12.2 Осыпи

У основания склона часто наблюдается скопление обломков пород, слагающих склон. Иногда они образуют сплошной шлейф вдоль склона, полностью скрывая его основание. Этот процесс развивается на крутых склонах с выходами легко выветривающихся пород - эффузивов, вулканических туфов, полускальных осадочных пород.

По степени подвижности осыпи подразделяются на действующие, затухающие и затухшие. Действующие постоянно пополняются осыпающимся материалом и таким образом растут. Их поверхность свободна от растительности; на поверхности затухающей осыпи появляется травянистый покров, а затухшей - также кустарник и деревья.

Движения осыпи вызывается многими причинами как природными, так и техногенными: наклон подстилающей поверхности основания склона, увеличение веса при пополнении материалом, переувлажнение, подмыв, сейсмические толчки, подрезка низа осыпи, сотрясения и вибрации при работах и др. Осыпи затрудняют строительство и эксплуатацию дорог и влияют на выбор положения трассы: подвижных осыпей следует избегать. При необходимости применяют различные защитные меры:

- стабилизация осыпи уборкой части материала вверху и подсыпкой снизу в виде контрбанкета;

- устройство подпорных стен с заглублением в коренные породы;

- осушение при возможности осовов.

От осыпей отличают каменные россыпи, или курумы. Это скопления глыб, образующие сплошные покровы на пологих склонах и даже на водоразделах в условиях сурового климата (Северный Урал, Восточная Сибирь, Алтай).

12.3 Оползни

Это смещения масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести, и в большинстве случаев при непосредственном участии подземных и поверхностных вод. Оползни распространены в горных районах, на берегах морей и озер, на склонах речных долин. В сейсмических районах оползни, как и обвалы, часто инициируются землетрясениями.

Проявления оползневых процессов очень разнообразны и зависят от высоты и крутизны склона (откоса), условий залегания слагающих склон пород и характера последних. Кроме собственно оползней, выделяют еще сплывы и оплывины, осовы, оползни - обвалы.

Для склона, сложенного близкими по свойствам рыхлыми, чаще глинистыми породами, типичное строение оползня показано на схеме (рис.12.1). Соответственно выделяются бровка срыва и главный уступ (иногда только трещина отрыва); оползневое тело, оползневые террасы, поверхность скольжения (иногда выраженная нечетко в виде зоны измененной породы), подошва и язык оползня.

Рис. 12.1. Оползень склона сложенного рыхлыми породами:

1 - первоначальная поверхность склона; 2 - бровка срыва;

3 - надоползневой уступ; 4 - оползневые террасы; 5 - тело оползня;

6 - поверхность скольжения; 7 - язык оползня

Внешними признаками оползневого процесса на склоне являются:

- наличие трещин: от главной трещины отрыва до трещин вдоль бортов оползневого тела;

- различные водопроявления (родники, полосы высачивания, заболачивание на оползневых террасах);

- изогнутые и наклоненные стволы деревьев («пьяный лес»);

- повреждения зданий и сооружений, смещения полотна дороги и др.

Причины оползней разнообразны, их можно объединить в четыре группы.

1. Изменения геометрии (высоты и формы) склона, природные (колебания базиса эрозии, разрушающая работа волн, текучей воды) и техногенные - например, подрезка склона различными выемками.

2. Изменение состояния и физико-механических свойств слагающих склон пород из-за выветривания, увлажнения подземными, дождевыми, талыми, хозяйственными водами, выщелачивания водорастворимых солей примесей (сульфаты, карбонаты, железистые соединения), окисления пирита и органики, набухания (особенно монтмориллонитовых глин при техногенном замачивании).

3. Действие подземных и поверхностных вод, вызывающее увеличение гидростатических и гидродинамических сил на породы, суффозионные явления.

4. Внешние статические и динамические нагрузки: пригрузка склона сооружениями и материалами, сейсмические воздействия, динамические воздействия транспорта, взрывные работы и др.

Обычно имеет место совместное действие нескольких причин.

Рис. 12.2. Примеры противооползневых мероприятий:

1 - прогнозируемая поверхность скольжения; 2 - срезка;

3 - контрбанкет; 4 - подпорная стена; 5 - дренаж; 6 - буровые сваи

После установления причин оползневого процесса разрабатываются противооползневые мероприятия, которые также (см. ранее для обвалов), можно разделить на профилактические и активные. К первым, например, относятся запрещение подрезки склона, строительства на нем, недопущение уничтожения растительности и распашки склона, регулирование поверхностного стока, ограничение скорости движения. К активным мероприятиям относятся устройство канав и лотков для отвода поверхностных вод и дренажных сооружений для сбора и отвода подземных вод; осушение и закрепление пород склона; разгрузка склона в верхней части и устройство контрбанкета в нижней; устройство подпорных стен; скрепление пород склона буровыми сваями и грунтовыми анкерами («прикол»). Некоторые из перечисленных мер иллюстрируются рисунком (рис.12.2).Успешным может быть только комплекс мероприятий, разработанный на основе детального выяснения причин оползневого процесса. В особенности важно установить причины и условия обводнения склона подземными и поверхностными водами.

12.4 Горное давление и сдвижение горных пород

В рассмотренных склоновых процессах действие силы тяжести как основной причины вполне очевидно. Она также проявляется в провалах горных пород в полости и пустоты, образующиеся при карсте, суффозии, прорывах плывунов. Но имеются обширные области хозяйственно-строительной деятельности человека, когда в массивах горных пород целенаправленно создаются полости и пустоты значительных размеров. Это добыча полезных ископаемых в шахтах и рудниках со всем их подземным хозяйством; применительно к строительству это тоннели различного назначения (транспортного, гидротехнического и др.), подземные хранилища и другие сооружения. В частности, современное развитие городов связывается во многом с освоением подземного пространства. Условия для проявления действия силы тяжести возникают при создании в толще горных пород свободного пространства - проходке выработки. Что при этом происходит?

Пусть на глубине z от поверхности пройдена выработка АБВГ (рис.12.3); общепринятые в горном деле названия ее элементов: АГ - почва; БВ - кровля; АБ и ГВ - стенки. До проходки имеет место естественное напряженное состояние: на кровлю действует напряжение у_z = гz, а на стенки у_x = огz, где о - коэффициент бокового давления, меняющийся от 0 до 1 при отсутствии тектонических напряжений; при наличии их возможны значения о > 1. После проходки выработки нормальные напряжения в точках контура станут равны нулю, отчего они (точки контура) получат некоторое смещение внутрь выработки. Вследствие этого в прилегающей к выработке зоне произойдет разуплотнение горных пород. Далее, напротив, напряжения возрастают (это зона опорного давления) и только затем напряжения снижаются до природных, имевших место до проходки выработки.

Влияние описанного изменения НДС массива на выработку называют горным давлением. Рассмотрим его проявления для двух крайних случаев.

1. Массив горных пород однородный и сложен прочными слаботрещиноватыми породами. Смещения точек контура выработки, как и во всей зоне разуплотнения, происходят в виде упругих деформаций разгрузки и соответственно практически мгновенно (со скоростью звука); по величине они незначительны (первые мм). Проходка может вестись без крепления и в таком незакрепленном виде выработка может оставаться надолго.

Рис. 12.3. Изменение НДС массива горных пород при проходке выработки: 1 - зона разуплотнения и падения напряжений; 2 - зона повышенных напряжений

2. Массив г.п. сложен рыхлыми песчано-глинистыми породами. Смещения пород при проходке будут значительные и сопровождаться вывалами и обрушениями пород в кровле и стенах, а часто еще выпучиванием почвы.

В первом (благоприятном) случае говорят, что горное давление мало; во втором, наоборот, велико и условия неблагоприятные. Проходка выработки должна сопровождаться немедленным ее креплением. При несвоевременном креплении или недостаточной его жесткости процесс смещений в массиве, называемый сдвижением горных пород, будет распространяться вверх на всю мощность толщи пород над выработкой. В результате на поверхности образуется понижение - мульда сдвижения. Здания, оказавшиеся в ее пределах, испытывают неравномерные деформации и могут быть повреждены вплоть до разрушения. Проблема сдвижения г.п. особенно актуальна для территорий с большим количеством подземных выработок - шахт, рудников: Донбасс, Кузбасс, КМА, Подмосковный угольный бассейн и др. Такие территории называются «подрабатываемыми» и условия строительства на них сильно усложняются. В таком положении находятся участки городской территории над тоннелями метро и известны случаи деформации зданий на этих участках.

Таким образом, при подземных работах возникают два важных явления, или процесса - горное давление и сдвижение горных пород. Оба процесса относятся к инженерно-геологическим, так как развитие их и проявления зависят как от свойств массива г.п. (от всех факторов, которые в совокупности мы ранее характеризовали как инженерно-геологические условия), так и от технологии проходки выработки и применяемого крепления. Прогноз указанных процессов - важная задача ИГИз для подземного строительства.

Лекция 13. Геологические процессы, обусловленные действием отрицательной температуры

13.1 Сезонное промерзание и морозное пучение грунтов

Зимой грунт на некоторую глубину промерзает, а весной - летом оттаивает. Глубина сезонного промерзания (ГСП) зависит от климата, рельефа, мощности снежного покрова, состава пород и многих других факторов, меняясь в различных областях России от 0,4 до 3 метров. В пределах ГСП происходит перераспределение влаги в грунте и переход воды в лед, что в конечном счете может привести к увеличению объема грунта. Этот процесс называется морозным пучением. Оно имеет большое значение для многих конструкций и сооружений: фундаментов зданий, земляного полотна дорог, аэродромных покрытий и пр. Интенсивность морозного пучения зависит от ГСП, характера промерзающих пород, их влажности и возможности дополнительного увлажнения при высоком положении уровня подземных вод.

Причин морозного пучения две: увеличение объема при замерзании находящейся в порах грунта воды, поскольку плотность льда меньше, чем у воды. Однако основной причиной является миграция воды к фронту промерзания в двух ее формах: капиллярной и пленочной, или рыхлосвязанной. Движение последней связано с уменьшением толщины водных оболочек частиц грунта при росте на фронте промерзания кристаллов льда. Поэтому у фронта промерзания идет процесс избыточного льдовыделения и соответственно при понижении фронта до ГСП в грунте льда окажется много больше того, что обусловила бы первоначальная влажность грунта. Следствием описанного процесса будет подъем свободной поверхности грунта - как правило, неравномерный с образованием горбов - пучин. Если же возможность поднятия вверх затруднена находящейся здесь конструкцией, на нее будет действовать давление морозного пучения.

По характеру процесса очевидно, что наиболее пучиноопасными будут грунты с большим содержанием пылеватой фракции - супеси, суглинки, глины, мелкие и пылеватые пески. Пучение не происходит в чистых гравелистых, крупных и средней крупности песках, в массивных скальных породах.

На железных дорогах пучение приводит к образованию пучин - местных поднятий верхнего строения пути, искажающих его продольный профиль и ухудшающих условия движения. При оттаивании и переувлажнении верхнего слоя земляного полотна в разжиженный грунт уходит балласт; в основной площадке образуются балластные корыта. При подсыпках балласта повторение процесса приводит к возникновению балластных мешков, карманов, распространяющихся на глубину нескольких метров.

К мероприятиям по борьбе с морозным пучением фундаментов зданий и земляного полотна железных дорог относятся:

- устройство в основании здания или насыпи земляного полотна прерывателей капиллярного подъема воды - слоев из щебня, гравия и гальки;

- устройство подушек из шлака, песчано-гравийных смесей;

- применение термоизоляции;

- устройство гидроизоляции из полимерной пленки;

- обработка зоны миграции влаги постоянным электрическим током с подачей в перфорированный анод раствора хлористого кальция.

Из профилактических мер важное значение имеет очистка балласта и надзор за исправностью водоотводных устройств.

13.2 Вечная мерзлота. Общие сведения и классификации

В некоторых районах Севера Европы, Азии, Америки верхние слои ЗК постоянно находятся в мерзлом состоянии, имея температуру ниже нуля. Это области вечной мерзлоты (ВМ); общая площадь ее на земной поверхности 35,07 млн. км². В летний период небольшой верхний слой грунта (обычно до 2,5 м) оттаивает, т.е. это слой сезонного оттаивания, или деятельный слой. В России ВМ занимает 11,2 млн. км², что составляет 65,6% ее территории. В зоне ВМ проходит большая часть БАМ, вся Амуро-Якутская магистраль, разрабатываются многие месторождения полезных ископаемых. Поэтому изучение ВМ имеет большое значение.

ВМ очень разнообразна; некоторое представление об этом дают следующие классификации.

А) По распространению в плане - сплошная; с таликами, то есть участками талых пород; островная, когда ВМ встречается в виде островов, окруженных обычными талыми грунтами. На севере Сибири ВМ сплошная с мощностью до 100…500 м; ближе к южной границе ВМ встречается отдельными участками среди талых пород, т.е островная.

Б) По разрезу - непрерывная и слоистая, когда чередуются мерзлые и талые слои.

В) По соотношению с деятельным слоем - сливающаяся и несливающаяся. В последнем случае между промерзающим зимой деятельным слоем и вечной мерзлотой остается слой талого грунта.

Г) По состоянию и степени цементации породы льдом различают ВМ монолитную, сухую и пластичную, а слагающие ее грунты называют соответственно твердомерзлыми, сыпучемерзлыми и пластичномерзлыми. Твердомерзлые - это глинистые породы при низких температурах (-2⁰ и ниже), прочно сцементированные льдом; сыпучемерзлые - несвязные маловлажные грунты. Пластичномерзлые наиболее неблагоприятны в строительстве; это глинистые грунты при отрицательных температурах, близких к нулю. По виду они почти не отличаются от талых грунтов, но при оттаивании переходят в текучепластичное или даже текучее состояние, т.е. становятся заведомо слабыми грунтами.

Подземные воды ВМ подразделяются на три типа: надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные. Надмерзлотные - это воды первого водоносного горизонта, приуроченного к породам деятельного слоя. Водоупор для них - ВМ. Могут полностью или частично промерзать; в последнем случае в них может появиться напор, хотя в общем это ненапорные воды, аналогичные грунтовым.

Межмерзлотные воды циркулируют по таликам и трещинам в толще ВМ, часто являются напорными. Подмерзлотные - напорные воды глубоких водоносных горизонтов под толщей ВМ.

Слово «вечная» в названии ВМ не должно мешать представлению о ней как системе динамической, чутко реагирующей на аномальные природные и критические техногенные воздействия. Поэтому ВМ может распространяться (аградация), или оттаивать (деградация).

13.3 Геологические процессы и явления в области вечной мерзлоты

К наиболее характерным мерзлотным процессам и явлениям относятся наледи, бугры пучения, морозобойные трещины и клинья льда, термокарст, солифлюкция, заболачивание.

Наледи образуются в местах прорыва надмерзлотных вод, когда они оказываются под напором из-за промерзания сверху деятельного слоя. Прорывы происходят в местах ослабления промерзшего слоя, или там, где промерзания не произошло - например, под сооружениями. Они наледью могут быть повреждены или разрушены. Распространены также наледи речные и озерные, иногда они могут захватить и берег. Летом лед тает. Но распространены и многолетние наледи (ключевые), связанные с выходами межмерзлотных вод таликов или даже подмерзлотных в виде источников. Объем таких наледей достигает миллионов кубометров. Например, самая крупная в Якутии Большая Момская наледь занимает площадь 80 км² с объемом льда 200 млн м³. Форма наледей связана с рельефом: на равнине это покровы, на пологих склонах потоки, на крутых - висячие наледи или ледопады.

Наледи могут повреждать опоры мостов, земляное полотно, забивать водопропускные трубы и тоннели. Борьба с наледями ведется скалыванием и таянием льда, искусственным утеплением русла водотоков в местах размещения искусственных сооружений, устройством мерзлотных поясов и др.

Бугры пучения возникают при поднятии промерзшей толщи деятельного слоя под напором надмерзлотной воды, в особенности связанной с таликами межмерзлотных вод. В этом случае массы льда образуются в толще грунта, поднимая ее в виде бугра пучения. При таянии льда летом бугор оседает, поверхность относительно выравнивается. Но при больших размерах бугра и поступлении напорных вод вытаивания льда может не произойти и рост бугра продолжится. Такие многолетние бугры пучения называются гидролакколитами (булгунняхи). Они могут достигать высоты 20…25м и диаметра 100м. Прорыв напорных вод может проявиться в виде взрыва с разрушением верха бугра, образованием кратера и разбрасыванием глыб породы и льда на значительное расстояние. Располагаются бугры пучения чаще в низинах, поймах рек, у подножья горных склонов.

Морозобойные трещины возникают при промерзании грунта. Распространяясь в глубину и заполняясь водой, снегом и льдом, они образуют ледяные клинья, проникающие иногда на глубину до 2м.

Термокарст - образование различных понижений - отрицательных форм рельефа (воронки, блюдца, котловины провалы) при вытаивании подземного льда и последующем оседании поверхности. Термокарст может быть связан с изменением климатических условий, особенно в южной зоне ВМ, а также в связи с хозяйственной деятельностью человека. Впадины заполняются водой и возникает типичный ландшафт «озерной тундры». При высыхании озер остаются котловины до 2-3 км длиной и 20 - 40 м глубиной - аласы.

Солифлюкция - оплывание, течение оттаявшего верхнего слоя на склоне. В результате на поверхности последнего появляются оплывины, террасовидные уступы.

Заболачивание развивается при избыточном увлажнении вследствие оттаивания верхнего слоя; водоупором является ВМ. При отсутствии стока в теплый период быстро развивается влаголюбивая растительность. Возникающие так болота называются мари.

Успешное строительство на ВМ возможно лишь при всестороннем учете ее особенностей. Это важно при выборе местоположения и принципа строительства - с сохранением мерзлого состояния грунта или его оттаиванием, что далее определяет технологию строительства и применяемые конструктивные решения сооружений, а также железных и автомобильных дорог. Заметим, что в дорожном строительстве практически всегда ориентируются на сохранение ВМ. Отсюда следуют такие конструктивные и технологические особенности, как преимущественное применение земляного полотна в виде насыпей, включение в них различных элементов регулирования вводно-теплового режима, производство работ в зимнее время, необходимость минимальных нарушений растительно-мохового слоя на территории и др.

Размещено на Allbest.ru