22. Геологические процессы, обусловленные действием силы тяжести: обвалы, вывалы, осыпи, лавины. Оползневые процессы, их причины. Виды оползней в скальных и рыхлых породах. Меры защиты.

Сила тяжести участвует во всех геологических процессах. Самым наглядным образом она проявляется как главная причина разнообразных смещений ГП на склонах – обвалов, лавин, осыпей, оползней. Обвалы – обрушения со склонов значительных масс ГП с их дроблением; обрушения отдельных глыб называют вывалами. Происходят внезапно, особенно на крутых трещиноватых склонах. Масштабы обвалов различны – от малых до грандиозных. Снежные лавины представляют собой обвалы скопившегося на склоне снега, при движении захватывающего также обломки ГП; в зависимости от характера движения лавины подразделяют на осовы, лотковые и прыгающие.

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. 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.

Осыпями называют накопления у подножья склона продуктов физического выветривания обнаженных поверхностью склона горных пород, а также сам процесс осыпания, перемещения обломков. Осыпи подразделяются по крупности обломков и по степени подвижности (действующие, затухающие, неподвижные). От осыпей отличают каменные россыпи, или курумы.

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.

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.

23.Геологические процессы, обусловленные действием подземных вод: плывуны, суффозия, карст, просадки лессов. Условия проявления, меры предупреждения и защиты. Особенности инженерно-геологических изысканий в районе образования карста.

Подземные воды разрушают ГП выщелачиванием и механическим выносом мелких частиц из пор и трещин. К наиболее важным для строительства процессам такого рода относятся заболачивание, плывуны, суффозия, карст, просадки лессов. В растворимых породах (каменная соль, гипс, известняк, доломит) выщелачивание приводит к развитию карста – совокупности отрицательных форм рельефа (карры, воронки, провалы) и подземных полостей различной формы и размеров (пещеры, пропасти), особому режиму поверхностных и подземных вод.

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;

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 . 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).

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.

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).

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. 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

24. Геологические процессы, образованные отрицательной температурой. Особенности физико-механических свойств мерзлых грунтов. Пучение грунтов при сезонном промерзании. Вечная мерзлота. Распространение, классификация, подземные воды в вечной мерзлоте. Наледи, гидролакколиты, термокарст, солифлюкция, заболачивание.

Важные для строительства явления в грунтах связаны с их промерзанием и оттаиванием и соответственно с переходами воды в лед и обратно. Неблагоприятным процессом при сезонном промерзании грунтов является морозное пучение. При промерзании грунта объем его увеличивается за счет замерзающей в порах воды и, что еще более значимо, за счет миграции влаги к фронту промерзания. В особенности этот процесс развивается в пылевато-глинистых грунтах и мелких песках, что необходимо учитывать при проектировании взаимодействующих с грунтом конструкций и сооружений: фундаментов зданий, земляного полотна дорог, аэродромных покрытий. Еще более масштабные процессы в связи с промерзанием и оттаиванием характерны для области распространения вечной мерзлоты (ВМ), занимающей в РФ 65,6 % ее территории. ВМ разнообразна по распространению в плане (сплошная; с таликами; островная); по глубине (непрерывная и слоистая, сливающаяся с деятельным слоем и несливающаяся); по характеру пород, их температуре и т.д.

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 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 появляется напор, хотя в общем это ненапорные воды, аналогичные грунтовым. Межмерзлотные воды циркулируют по таликам и трещинам в толще ВМ, часто являются напорными. Подмерзлотые – напорные воды глубоких водоносных горизонтов под толщей ВМ.

На свойства мерзлого грунта большое влияние оказывает льдистость, т.е. содержание льда. Он может быть в двух формах – цемента и включений; распространены также различные формы подземного льда – инъекционный, жильный, погребенный. 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 (агградация), или оттаивать (деградация). К 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 грунтовые. В последнем случае массы льда образуются в толще грунта, поднимая ее в виде бугра пучения. При таянии льда бугор оседает, поверхность относительно выравнивается. Но при больших размерах вытаивания льда может не произойти. Такие многолетние бугры пучения до 15 м высотой называются гидролакколитами. Борьба с наледями ведется устройством мерзлотных поясов – широких неглубоких канав, закладываемых поперек направления потока подземных вод.

Гидролакколиты — масса подпочвенного льда, по форме сходные с лакколитами. Они образуются в криолитозоне, причём на территориях, где верхняя граница многолетней мерзлоты залегает близко к дневной поверхности. Гидролакколиты могут образовываться также и при промерзании закрытых систем несквозных таликов под осушающимися обычно термокарстовыми озёрами, большая часть из которых в конечном итоге может представлять собой аласы. Гидролакколиты — это, по существу, инъекционные бугры пучения. Они образуются в местах разгрузки напорных межмерзлотных вод и в обрамлении наледей, каковыми, выходя на поверхность под напором и быстро замерзая, они и являются (наледные бугры.) Напорные воды выходят на поверхность на участках разрывов растяжения, обычно — по ослабленным границам трещинных полигонов[10].

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 рельефа (воронки, блюдца, котловины) при вытаивании подземного льда и последующем оседании поверхности. 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.