Вопрос 62. Геологические процессы, связанные с подземным стоком

Рассолонение глинистых горных пород. Процессы выщелачивания солей из засоленных глинистых пород принято называть рассолонением. Данный процесс сопровождается значительными изменениями физико-механических свойств пород. Характер и степень изменения состояния и свойств горных пород в процессе их рассолонения зависят от состава солей и пород.

Рассолонение иногда приводит к механическому выносу коллоидальных и тонкообломочных минеральных частиц породы. Это явление назы­вается коллоидальной и механической суффозией.

В рассмотренных случаях выщелачивание засоленных пород происходит в условиях фильтрации подземных вод. Такой процесс принято назы­вать фильтрационным выщелачиванием.

Карст. Некоторые твердые горные породы (известняк, доломит, гипс, соль) отличаются повышенной растворимостью в воде. Благодаря этому в зонах активной циркуляции подземных вод наблюдается развитие пещер. Расширение трещин и увели­чение размеров пор. Эти явления, развивающиеся в растворимых породах, объединяют понятием «карст». В зави­симости от ха­рактера породы различают карбонатный, гип­совый, соленой карсты. Сильнее карстуются легкорастворимые каменные или калийные соли, гипс и ангидрит. Карст в этих породах наиболее опасен, так как образуются крупные полости и провалы.

В настоящее время для изучения карста привлекаются геофизические методы, в частности электроразведка (электропрофилирование, электрокаротаж) и сейсморазведка.

Вопрос 63. Геологические процессы, связанные с действием атмосферы и подземным стоком

Выветривание. Под выветриванием понимается изменение горных пород, происходящее под воздействием на них экзогенных агентов (температурных колебаний, воды, растительной органики и т.д.). Выветривание – это непрерывный длительный процесс изменения инженерно-геологи­ческих свойств пород на месте их залегания. Изменение минералого-петрографического состава, структуры, текстуры пород при выветривании определяется составом материнских пород, климатическими и ландшафт­ными условиями.

В процессе выветривания наблюдается:

1. Дробление (механическая дезинтеграция), начинается с вскрытия и расширения открытых трещин. Мощность зоны дробления меняется в зависимости от континенталъности климата от 1-2 до 7-10 м.

2. Химическое и физико-химическое разложение минералов и образование новых минералов – продуктов выветривания.

Толщи горных пород, захваченные процессами выветривания, образуют кору выветривания. По времени образования различают современ­ную и древнюю кору выветривания. Древняя кора, в отличие от современ­ной, погребена под толщей позднейших напластований.

По морфологическим признакам выделяется площадной, распространенный на значительной площади, и линейный тип, развитый по тектони­ческим ослабленным зонам.

Н. В. Коломенский для инженерно-геологических целей рекомендует выделять следующие зоны:

1) Монолитная;

2) Глыбовая;

3) Мелкообломочная, или щебеночная;

4) Зона полного дробления.

В монолитной зоне породы не имеют следов механической дезинтеграции (раздробленности). Отмечается некоторое ослабление прочности на сжатие и снижение сопротивления сдвигу, обусловленное процессами выветривания.

В глыбовой зоне появляются трещины выветривания, разбивающие породу на отдельные глыбы. Трещины частично или полностью заполнены продуктами выветривания или песчано-глинистым материалом. Породы глыбовой зоны обладают высокой фильтрационной способностью.

Мелкообломочная, или щебенистая, зона состоит из мелких кусков даже отдельных зерен. Куски материнской породы часто рассыпаются от прикосновения. Они состоят из сильновыветрелых минералов материнской породы или же продуктов полного их разложения. Фильтрационная способность пород этой зоны по сравнению с глыбовой зоной сильно снижается (до нескольких метров в сутки).

В зоне полного дробления порода отличается высокой степенью дробления. В основном она состоит из минералов коры выветривания. Коэффициент фильтрации снижается до тысячных долей сантиметра в сутки.

При инженерно-геологическом изучении процессов выветривания выясняется:

1. Мощность зоны и распространение коры выветривания;

2. Геолого-петрографические и инженерно-геологические особен­ности пород по зонам выветривания;

3. Скорость выветривания пород при вскрытии их горными выработ­ками;

4. Изменение интенсивности и характера процессов выветривания пород в зависимости от местных гидрогеологических, климатических и геологических условий залегания, экспозиции склона;

5. Необходимые мероприятия по защите искусственных обнажений сильновыветривающихся горных пород от их разрушения в результате выветривания.

Мерзлотно-динамические явления. На территории распространения мощной сезонной мерзлоты и в особенности в областях развития многолет­ней мерзлоты сталкиваются с различного характера деформациями земной поверхности, вызванными замерзанием и оттаиванием воды, заключенной в горных породах. К ним относятся бугры пучения, гидролакколиты, наледи, термокарсты, течение почв (солифлюкция) и некоторые другие явле­ния. Все они образуют единую группу мерзлотно-динамических явлений.

Сезонная мерзлота наблюдается на всей территории России, но глубина ее проникновения (мощность) различна в разных районах в зависимости от суровости и континентальности условий, характера пород и некоторых других особенностей.

На вертикальном разрезе участка с вечномерзлым грунтом разли­чают деятельный слой (1), слой вечной мерзлоты (2), талый грунт коренных пород (3).

Деятельным называют верхний слой вечной мерзлоты, который в теп­лый период года приобретает положи­тельные температуры – оттаивает. Мощность этого слоя колеблется (в зависимости от территориального распо­ложения и местных условий) от нескольких дециметров до нескольких метров. Если в холодное время года деятельный слой промерзает полностью и смыкается с вечномерзлым, то мерзлота называется сли­вающейся, если же полного промерзания не происходит, – несливающейся.

Мощность мерзлого грунта бывает от нескольких метров до сотен метров, его температура колеблется от нуля до минус 10-15°. Морозные породы практически не отличаются по своим свойствам от тех же пород с положительной температурой. Совершенно иными свойствами обладают мерзлые раздельнозернистые и глинистые породы. Появление льдинок, цементирующих минеральные зерна, резко изменяют все водно-физические и механические свойства пород. Как показывают наблюдения, в процессе промерзания происходит перераспределение влаги, образование прослоев, линз и других включений льда. В результате образуется новая, морозная (криогенная) текстура породы.

Различают слитную (массивную), слоистую и ячеистую (сетчатую) текстуру. Слитная текстура характеризуется отсутствием прослойков, линз и других ледяных новообразований. Льдинки занимают поры прочно, плотно цементируя породу. Такой тип цементации наиболее характерен для раздельнозернистых пород. Породы со слитной текстурой обладают значительной прочностью, а при оттаивании сохраняют, а иногда даже улучшают прочностные показатели по сравнению с показателями той же породы до ее промерзания. Слоистая текстура часто наблюдается в глинистых породах, особенно в пылеватых их разностях. Она возникает при одностороннем промораживании сильно переувлажненных пород. В мерзлом состоянии также породы обладают значительной прочностью, но при оттаивании их прочностные характеристики резко ухудшаются. Мерзлая порода ячеистой текстуры при оттаивании также снижает прочностные свойства, но в меньшей степени, чем породы слоистой текстуры.

При оттаивании мерзлых пород происходит резкое изменение строения и физического состояния пород, которое приводит к деформациям в виде осадок и просадок. Под просадкой следует понимать быстро протекающую необратимую деформацию, сопровождающуюся резким изменением структуры породы и выдавливанием оттаявшей породы в стороны под действием собственного веса и внешней нагрузки. Осадка является деформацией уплотнения действия тех же сил.

Глинистые мерзлые породы при оттаивании часто превращаются в разжиженную массу и в этом состоянии легко выдавливаются из-под фундаментов зданий, дорожных покрытий. В талом состоянии сопротивление внешним нагрузкам становится столь ничтожным, что на склонах рельефа порода начинает течь по кровле мерзлого грунта. Это явление называется солифлюкцией. На крутых склонах при оттаивании мерзлого грунта происходят криогенные явления, появляются по­токи, языки, шлей­фы, сплывы, террасовидные уступы обломочного материала, иногда силь­но перемешанного.

На ровных по­верхностях и в по­нижениях рельефа образуются мари, представляющие собой особый вид низинных болот. При оттаивании верхнего слоя вода в нем не имеет стока и застаивается на мерзлом основании, способствуя заболачиванию с об­разованием кочек и весьма медленным нарастанием слоя мало разло­жившегося торфа.

Зимой в некоторых районах с суровым климатом при перемерзании подземных водоносных слоев вода ищет выход и, разрывая верхние покровные пласты пород, изливается на поверхность, где и замерзает. За счет притока воды из глубины количество льда может длительное время расти. Такое явление называется грунтовой наледью. Если при про­мерзании грунтовые воды долго не находят выхода, лед вспучивает верхние пласты пород. Такие бугры, состоящие из льда, воды или их смеси, назы­ваются гидролакколитами.

При разрыве перекрывающих бугор пластов пород вода изливается на поверхность и замерзает в виде наледи.

Вечная мерзлота, как и сезоннопромерзающие грунты, подвержены пучению. Величина и сила пучения зависит от мощности и влажности деятельного слоя, возможности миграции влаги к фронту промерзания, а также от того, каков характер залегания вечной мерзлоты. Так, в условиях сливающейся мерзлоты сила пучения больше, чем при несливающейся

Мерзлотно-динамические явления и многолетняя мерзлота весьм осложняют наземное строительство.

В области многолетнемерзлых грунтов строительство ведут в соот­ветствии с требованиями главы СНиПа на проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружении. В данном случае приходится при­менять меры либо к сохранению мерзлоты в основании, либо к его оттаи­ванию. Метод возведения сооружении на мерзлых породах с применением проветриваемого зимой подполья, продухов и охлаждающих труб и т.д. является наиболее надежным. В этом случае прибегают к свайным фун­даментам, связанным поверху рондбалкой. Фундамент заделывается в постоянно мерзлый слой на некоторую глубину.

Инженерно-геологические исследования в районах вечной мерзлоты могут быть как экспедиционные, так и стационарные. В их задачу входит выяснение геологических, гидрогеологических и общих мерзлотных усло­вий района; изучение физических свойств мерзлых пород и изменений этих свойств при оттаивании и замораживании и исследовании мерзлотно-динамических условий района.