Лекция 8.

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОДИНАМИКА

Инженерная геодинамика — раздел инженерной геологии, ко­торый изучает геологические процессы в верхней части земной коры в связи с инженерно-строительной деятельностью человека.

Геологические процессы всегда предшествуют геологическому яв­лению, т. е. внешнему проявлению процесса. Процесс первичен, яв­ление — вторично. Так, например, образованию внешних форм кар­ста (воронок, провалов и других проявлений) предшествует геоло­гический - процесс — растворение горных пород. Многие ученые и исследователи используют термин «геологические процессы и явле­ния», другие (в том числе и в нормативной литературе) — просто «геологический процесс».

По В.Д. Ломтадзе (1977), геологические процессы проявляются в образовании и разрушении горных пород, в изменении их физи­ческого состояния и условий залегания, в формировании и измене­нии рельефа земной поверхности, строения земной коры и внутрен­ней структуры Земли в целом. Инженерная геодинамика изучает все современные геологические процессы, которые в той или иной мере влияют на устойчивость строительных объектов.

Геологические процессы принято делить на природные, разви­вающиеся стихийно в природных, ненарушенных человеком усло­виях (в геологии их изучают в разделе «Динамическая геология»), и инженерно-геологические, вызванные инженерно-строительной де­ятельностью человека. В ряде случаев границу между ними провес­ти трудно, так как нередко природные геологические процессы под­вергаются в той или иной степени изменению в результате инже­нерной деятельности человека.

В настоящее время в инженерно-геологической науке, а также в специальных строительных нормах и правилах широко использует­ся термин «опасные геологические и инженерно-геологические про­цессы», под которым понимают «сейсмическое сотрясение, извер­жения вулканов, оползни, обвалы, осыпи, карст, сели, переработку берегов, подтопление и другие процессы, возникающие под влияни­ем природных и техногенных факторов и оказывающие отрицатель­ное воздействие на строительные объекты и жизнедеятельность лю­дей».

Важнейшими задачами инженерной геодинамики в связи с вы­шесказанным являются:

1) изучение причин возникновения и дина­мики развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов;

2) прогноз влияния этих процессов на устойчивость про­ектируемых зданий и сооружений и условия их эксплуатации;

3) ин­женерно-геологическое обоснование защитных мероприятий.

Геологические процессы, связанные с деятельностью ветра (Эоловые процессы)

Геологические процессы, порожденные энергией ветра, получи­ли название эоловых (Эол — бог ветра в древнегреческой мифоло­гии), а отложения, образовавшиеся с помощью ветра, — эоловых отложений.

Геологическая работа ветра наблюдается всюду на поверхности земного шара, хотя скорость, сила и направление ветра на различ­ных ее участках неодинаковы. Обычно в тех районах, где больше скорость ветра, там при прочих равных условиях сильнее произво­димая им работа.

С наибольшей интенсивностью эоловые процессы протекают в песчаных пустынных и полупустынных областях и в меньшей сте­пени — в степных. На территории СНГ это пустыни Каракумы и Кызылкумы (Средняя Азия), побережья Каспийского, Балтийского, Аральского и других морей, долины Амударьи, Сырдарьи, Оби и других рек. Эоловые процессы представляют серьезную угрозу для населен­ных пунктов и инженерных сооружений. Песчаные заносы засыпа­ют дома и целые поселения, разрушают дамбы и насыпи, осложня­ют строительные работы и удлиняют сроки возведения строитель­ных объектов. С другой стороны, не только заносы, но и выдувание и развевание песков может также приводить к отрицательным по­следствиям: обнажению стальных трубопроводов, заложенных на небольшой глубине от поверхности земли, обнажению фундамен­тов береговых опор мостов и иных сооружений и т. д.

Интенсивное развитие эоловых процессов в тех или иных райо­нах наблюдается при сочетании следующих условий:

- поверхностная толща отложений сложена легковыдуваемыми песками, супесями и другими рыхлыми породами, нахо­дящимися в сухом состоянии;

- на территории длительно действуют ветровые потоки с высо­кими скоростями (более 5 м/с);

- растительный покров отсутствует (или он сильно разрежен).

Эоловые процессы в значительной мере могут быть активизированы в результате непродуманной деятельности человека, вызывающей нарушение или полное уничтожение растительного покрова.

Активная эоловая (ветровая) работа в пустынных и полупустын­ных районах — это сложный и многообразный геологический про­цесс, составными частями которого являются дефляция, корразия, транспортировка и аккумуляция (накопление) песчано-пылеватого материала. Для обоснования защитных мероприятий закономернос­ти возникновения и развития эоловых процессов детально изучают в процессе инженерно-геологических изысканий.

Дефляция (от лат «дефляцио» — выдувание) — выдувание и раз­вевание ветром тонких песчаных и пылеватых частиц. Интенсивность ветровой дефляции зависит от скорости ветра, устойчивости почвы и верхней части толщи горных пород, наличия растительного по­крова, особенностей рельефа и от других факторов. Наиболее резко дефляция проявляется в пустынных районах. Огромное влияние на ее развитие оказывают техногенные факторы.

С дефляцией связано образование отрицательных форм рельефа - котловин выдувания, борозд, траншей, «ярдангов» - желобов глубиной от 1—2 до 6 м и др. Дефляция оказывает весьма негативное влияние на почвенный покров степных районов. Выдувание ценнейших плодородных почв может достигать 10—15 см, а местами -до 25 см.

Кроме дефляции разрушительная деятельность ветра проявля­ется в корразии, т. е. в обтачивании горных пород твердыми пес­чинками, переносимыми ветром. В результате корразии в горных породах образуются ниши, ячейки, борозды, а в горных местностях - скалы-останцы, грибообразные и шаровидные скалы и др. Поскольку максимальная корразия наблюдается в нижней части скал, становится понятным образование своеобразных форм эолового рельефа в этих районах.

Эоловая транспортировка заключается в переносе выдуваемых частиц горных пород и почв на сотни и даже тысячи километров. По данным ученых, общее количество переносимого в мире эолового материала превышает 1,5 млрд т. Крупнейшим источником пыли на постсоветском пространстве является Арал. На космических сним­ках видны шлейфы пыли, которые тянутся в стороны от Арала на многие сотни километров. Общая масса переносимой ветром пыли в районе Арала достигает 90 млн т в год. Другой крупный пылевой очаг — Черные земли Калмыкии.

Эоловая аккумуляция и формирование эоловых отложений наблю­даются при уменьшении скорости ветра. Уплотнение и цементация эоло­вых отложений (песчаных, пылеватых и глинистых) происходит более медленно, чем у других типов осадков, поэтому обычно они находятся в рыхлом состоянии. При строительном освоении важное значение имеет степень их закрепления корневой системой растений. По этому призна­ку эоловые отложения делят на подвижные формы (барханы, бархан­ные цепи, дюны) и закрепленные (грядовые и бугристые пески).

Среди подвижных форм наибольшее распространение имеют бар­ханы — песчаные холмы серповидной формы высотой до 30—50 м и более, располагающиеся перпендикулярно к господствующему на­правлению ветра. На территории среднеазиатских пустынь и полу­пустынь барханы и барханные цепи (слившиеся групповые барха­ны) занимают площадь более 1 млн км². Скорость передвижения барханов различная: от десятков сантиметров до сотен метров в год.

Песчаные холмы и гряды высотой до 30 м и более (иногда до 100 м — Атлантическое побережье Франции), образованные в ре­зультате деятельности ветра во внепустынных областях на песча­ных побережьях морей, озер и крупных рек, называют дюнами. Если ветер часто меняет направление, образуется пирамидальная дюна, имеющая треугольную форму.

Скорость движения дюн колеблется от 0,2 до 25 м/год. Дюны ме­нее устойчивы к динамическим воздействиям, чем барханы, что неод­нократно приводило к деформациям и авариям различных сооружений.

Закрепленные формы эолового рельефа (грядовые, бугристые и другие виды песков) потеряли способность к перемещению. Их дви­жение остановлено пустынной растительностью с сильно развитой корневой системой. Среди песчаных пустынь встречаются также такыры — плоские понижения, сложенные высохшими илистыми осад­ками и разбитые трещинами усадки на многоугольники.

Мероприятия по защите от эоловых процессов. Выше уже от­мечалось, что эоловые процессы, и в первую очередь подвижные пески, могут нанести серьезный ущерб территории, а также различ­ным зданиям и сооружениям.

Защитные мероприятия могут иметь профилактический и актив­ный характер. К профилактическим мерам относят запрещение уст­ройства любых строительных выемок, карьеров и других открытых выработок в зоне развития подвижных песков без должной защиты от развевания и переноса песчаных масс. К такого рода мероприяти­ям относят также меры по сохранению естественного растительного покрова с крепкой корневой системой, запрещение выпаса скота и т. д.

Активные меры борьбы с подвижными песками включают: фитомелиорацию (закрепление песков с помощью посадки древесной, кустарниковой и травяной растительности); устройство щитовых ог­раждений вдоль дорог и каналов для задержки песчаных заносов; закрепление песков связующими материалами (битумом, цементом, парафиномазутными смесями) и другие способы.

Эффективен метод безаккумуляционного переноса песков, ос­нованный на придании дорожному полотну такого профиля, при котором дорога не будет задерживать движущиеся пески. Песчаные заносы дорог и других линейных сооружений предотвращают также с помощью устройства защитных лесополос.

Инженерно-геологические изыскания в районах развития эоло­вых процессов включают изучение характера, интенсивности и ре­жима перемещения подвижных песков, их литологического состава и физико-механических свойств, режима влажности верхнего слоя песков, геолого-гидрогеологических и геоморфологических особен­ностей территории и др. На основании полученных данных прини­мают решение о необходимости осуществления профилактических или активных мероприятий для борьбы с подвижными песками.