Ф. Краева, Л. Г. Балаева и др.).

Для лёссовых пород характерны не только просадки в стати­ческих условиях, но и при сейсмических (вибрационных) воздей­ствиях. Сейсмическая просадка рассматривается как продолжение обычной просадки, темпы которой на последних стадиях процесса замедлены и асимптотически затухают (Кригер, 1986). При зама­чивании лёссовых пород отмечено падение скоростей сейсмичес­ких продольных волн с 700—1000 до 350—650 м/с. Такой эффект происходит в определенном интервале влажности.

СПЕЦИФИКА СТРОИТЕЛЬСТВА НА ПРОСАДОЧНЫХ ГРУНТАХ

zs_a*s_a-

2. Лёссовые породы второго типа с просадкой от собственного веса более 5 см используются в качестве естественного основания под защитой от замачивания. Отметим, что этот способ строитель­ства имеет большое распространение, но защита от дополнитель­ного увлажнения не всегда дает желаемую эффективность. Так, по обследованиям 177 домов, построенных на лёссах в Ростове-на- Дону, Краснодаре, Таганроге, Грозном и Новочеркасске, 94 из них (55 %) получили значительные деформации за счет увлажнения водами от полива полосы зеленых насаждений или плохой отмо­стки. Известны случаи аварий зданий во многих городах на Укра­ине, Кавказе и в Средней Азии, наступивших в результате неэф­фективной водозащиты. Ю. М. Абелев, отмечая невозможность защиты лёссовых просадочных оснований, а следовательно, неиз­бежность нарушения устойчивости строящихся и эксплуатируе­мых зданий, предложил ряд мероприятий по ликвидации последст­вий замачивания лёссовых пород. Это применение конструкций, малочувствительных к неравномерным осадкам; устройство желе­зобетонных поясов в стенах, воспринимающих растягивающие усилия; уширение площадей фундаментных плит под отдельными элементами зданий; уплотнение лёссовых пород в пределах дефор­мируемой зоны основания или замена наиболее просадочного

слоя; полное устранение просадочности лёссового основания или всей просадочной толщи уплотнением после замачивания, терми­ческой обработкой, силикаттизацией и другими способами техни­ческой мелиорации; прорезка просадочной толщи фундаментами разных конструкций (сваями, опорами и др.).

Несмотря на отмеченные сложности строительства и эксплуа­тации зданий и сооружений на лёссовых просадочных породах, Ю. М. Абелев (Абелев Ю., Абелев М., 1968) считает, что ряд объ­ектов строительства 30-х годов благополучно эксплуатируется в течение нескольких десятилетий. Если даже допустить, что число деформируемых зданий и сооружений составляет 5 % (сильно за­вышенная цифра) от их общего количества, то экономичнее про­вести послепросадочный ремонт этих объектов, чем применять мероприятия по полному устранению угрожаемости просадки. В итоге он делает оптимистический вывод: проектирование и строительство зданий и сооружений на просадочных лёссовых грунтах возможны по «такому предельному состоянию, при кото­ром обеспечивается статистическая устойчивость зданий, т. е. до­пуская появление неопасных трещин, а пригодность к эксплуата­ции в аварийных случаях обеспечивается выполнением восстано­вительных работ, осуществляемых без остановки производства».

Строительство на просадочных лёссовых грунтах в сейсмичес­ких районах представляет особые сложности. Если сопоставить карты сейсмического районирования и распространения лёссовых пород, то можно убедиться в том, что большинство сейсмических районов покрыто лёссовыми отложениями разной мощности, склонных к проявлению просадочных деформаций. Изучение по­ведения зданий и сооружений, построенных на лёссовых породах, при сейсмических воздействиях проводилось при сильных земле­трясениях в Ашхабаде (1948 г.) и в Ташкенте (1966 г.).

Ашхабад построен на лёссовой толще мощностью около 10 м, а уровень грунтовых вод залегает на глубине 12 м. Землетрясение 1948 года продолжалось 25—30 с при сейсмическом ускорении а = (0.28 + 0.38) g. По шкале Рихтера это 9—10 баллов. Обсле­дование последствий землетрясения показало, что наибольшие разрушения произошли в районах, близких к водопроводной и ка­нализационной сетям. Разрушение этих сетей в результате земле­трясения спровоцировало замачивание и просадку лёссов. Обсле­дования последствий землетрясения в Ташкенте (7—8 баллов) вы­явили повреждения водопроводов в 24 местах, которые явились источниками дополнительного увлажнения последующих посадок. Исследования влияния циклических нагрузок по лабораторным данным для лёссов Таджикистана показали увеличение величин относительной просадочности в 1.5—2 раза для разновидностей с плотностью скелета менее 1.6 г/см³.

Таким образом, сейсмические воздействия приводят к увеличе­нию величины просадки под влиянием двух главных факторов — замачивания и роста давления. Замачивание способствует разуп­

рочнению просадочных грунтов, а рост давления в динамическом режиме вызывает разрушение структурных связей, а также увели­чение уплотняющего воздействия.

На природных склонах и искусственных откосах сейсмическое воздействие реализуется в развитии оползневых явлений в проса­дочных породах, о чем свидетельствует большое количество опол­зней на откосных сооружениях в сейсмических районах распрост­ранения лёссовых отложений. Развитие оползневых явлений — это результат изменения физического й напряженного состояний лёссов как следствие разрушения структурных связей и роста сдвигающих усилий в лёссовом массиве.

Глава 16 карстовые явления

ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ЗНАЧЕНИЕ

Понятие «карст» происходит от названия плато в Словении, на поверхности которого ярко выражены понижения, образовавшиеся в результате растворения и выщелачивания карбонатных пород. Карстом занимаются специалисты разных направлений наук о Земле, а также строители, горняки и другие, в связи с чем сущест­вует много определений этого понятия. Изучение карста в геодина­мике имеет свою специфику, так как карстовые формы и современ­ный карстовый процесс определяют условия освоения человеком за- карстованных территорий, устойчивости инженерных сооружений и природных массивов горных пород. Таким образом, на стыке ес­тественных наук и строительства возникло научно-прикладное на­правление, названное Г. А. Максимовичем в 1947 году «инженер­ным карстоведением», задачи которого определяются современны­ми требованиями строительной и горной практики.

Современное инженерное карстоведение, развиваемое у нас ра­ботами В. В. Толмачева, И. А. Печеркина, А. Г. Лыкошина, В. П. Хо- менко, Г. М. Троицкого, В. М. Кутепова и другими, ставит перед собой широкий круг сложных проблем, среди которых выделяются:

а) разработка общих принципов освоения закарстованных террито­рий; б) влияние техногенного воздействия на развитие карстового процесса; в) изучение механизма карстовых деформаций; г) оценка карстовой опасности; д) изучение физико-механических свойств за­карстованных пород; е) разработка методов инженерных изысканий на закарстованных территориях; ж) создание противокарстовой за­щиты и др. (Толмачев и др., 1985; Толмачев, Ройтер, 1990).

Большой интерес к проблемам инженерного карстоведения проявляется во многих зарубежных странах, о чем можно судить по регулярному проведению крупных международных научных ме­

роприятий. В 1973 году в Ганновере (ФРГ) и в 1984 году в Льеже (Бельгия) состоялись международные симпозиумы по проблемам прикладного карстоведения; в 1981 году во Флориде (США) был организован специальный научный институт по исследованию кар­стовых провалов, где в 1984 и 1987 годах проходили I и II конфе­ренции по проблемам оценки и прогноза карстовых деформаций; на симпозиуме, проходившем в Стамбуле (Турция) в 1981 году, ос­новное внимание уделялось вопросам гидротехнического строи­тельства на закарстованных породах; проблемам строительства и устойчивости сооружений на закарстованных породах посвящен большой объем исследований, публикаций и конференций во Франции, Великобритании, Китае, ЮАР.

Следуя определениям Ф. П. Саваренского, И. В. Попова и Д. С. Соколова и учитывая современное состояние изученности проблемы в инженерной геологии, карст следует рассматривать как комплекс природных и природно-техногенных процессов и явлений аномального изменения физического состояния твердых горных пород в результате их растворения и выщелачивания при­родными и техногенными водами с образованием поверхностных и подземных пустот разной формы и размеров. В зависимости от состава карстующихся пород, растворимость которых в приро­дных условиях находится в отношении 1; 1Q²: 10⁴, карст бывает карбонатным, сульфатным и соляным. По времени образования карст делится на древний и современный. Карстовые формы ха­рактеризуются большим разнообразием (табл. 16.1) и рассматрива­ются для двух сред: для растворимых пород и пород, покрываю­щих их.

Значение карстовых явлений можно охарактеризовать двумя главными, но не единственными, критериями: распространен­ностью и угрожаемостью жизнедеятельности. Распространение карста определяется масштабами и частотой встречаемости водо­растворимых (карстующихся) карбонатных, сульфатных и соля­ных пород в приповерхностной части земной коры. Г. А. Макси­мович (1963) показал расчетами, что только карбонатные породы занимают площадь около 40 млн км² на всех континентах, а гипсы и соли вместе — около 11 млн км². На схематической карте рас­пространения карста, составленной Н. В. Родионовым в 1960 году, видно, что на территории Европейской части России карбонатный карст развит в известняках, доломитах и мраморах северо-запад­ной части Русской платформы, на крыльях Московской синекли- зы, на Тиманском поднятии и вдоль Уральского хребта; южнее наблюдается меловой и мергельно-меловой карст на территории Воронежской и Волго-Уральской синеклизы. Соляной карст отме­чен на северЪ-западном крыле Московской синеклизы, начиная с севера Архангельской области. Карстовый процесс прослеживает­ся здесь до глубин в 300—400 м.

На Сибирской платформе карбонатный карст развит в осадоч­ном чехле Тунгусской и Вилюйской синеклиз, а соляной — на

Таблица 16.1

рубежья. Следовательно, по первому критерию — распространен­ности — значение карста в эпоху интенсивного техногенеза труд­но преувеличить.

Угрожаемость карстовых явлений и риск при оценке условий строительства, а также при прогнозах устойчивости закарстован­ных территорий и инженерных сооружений можно показать на многочисленных примерах аварийных ситуаций, имевших место в строительном и горном деле.

Первые сведения о негативном влиянии карста на условия же­лезнодорожного строительства были отмечены в работах Д. JI. Ива­нова в конце прошлого века (1897—1898 гг.). Но, по всей вероят­ности, это были не единственные тревожные сигналы, так как в 1905 году была составлена специальная инструкция по наблюдени­ям за появлением карстовых воронок около железных дорог и вблизи Н. Новгорода. С ростом темпов и масштабов освоения тер­риторий все чаще давали о себе знать неблагоприятные последст­вия взаимодействия закарстованных массивов пород с инженерны­ми сооружениями. Иногда это было связано с незнанием геологи­ческой обстановки осваиваемых территорий, в других случаях строительство ускоряло процесс нарушения устойчивости закарс­тованных пород в результате изменения их напряженного состоя­ния, а в районах распространения сульфатных и соляных пород строительство само провоцировало развитие современного карсто­вого процесса со всеми его последствиями.

Карбонатный и гипсокарбонатный карст опасен появлением провалов, представляющих собой быструю деформацию участков земной поверхности (оснований сооружений) в результате обру­шения горных пород в карстовые пустоты, залегающие под ними. Часто провалы называют провальными или просто карстовыми во­ронками, хотя эти понятия не являются синонимами. Главное отли­чие провалов заключается в неожиданности и быстроте их проявле­ния. Чувствительность закарстованных территорий к техногенному воздействию определяется потенциальной возможностью возникно­вения и развития провалов. В этом, очевидно, заключается угрожа­емость жизнедеятельности на закарстованных территориях, а также риск при их освоении. По наблюдениям И. А. Саваренского в рай­оне г. Дзержинска, расположенного в долине Оки, с 1935 по 1959 г. произошло 54 провала, из которых один имел глубину 28 м и диа­метр 90 м. Интересно отметить, что в этом районе было обнаружено 3 тыс. карстовых воронок на участке площадью 300 км², свидетель­ствующих о его высокой чувствительности к карстовым провалам. Карстовые провалы были отмечены также для района г. Уфы, при­чем некоторые из них привели к разрушению и опасным деформа­циям зданий. Первые сведения о провалах в этом районе были по­лучены в 1927 году, когда на склоне р. Белой, по которому прохо­дила дорога, произошел провал глубиной 12 м и диаметром 42 м. Во многих районах Предуралья (ст. Чусовая, г. Кунгур, г. Альметьевск и др.) провалы постоянно создают аварийные ситуации.

О провалах есть сведения и в зарубежной специальной литера­туре. Так, в г. Галле (ФРГ) в 1961 году было отмечено большое количество провалов, 80 % из которых произошло на застроенной части города из-за утечки воды из водопроводной системы. Во Флориде (США) в 1981 году произошел провал диаметром более 100 м, причиной которого было понижение уровня подземных вод из-за больших откачек.

Изменение физического состояния горных пород при карсте приводит к увеличению их проницаемости и уменьшению про­чности, что снижает их несущую способность и должно учиты­ваться при оценке оснований гидротехнических и горных соору­жений. Изменения свойств закарстованных пород приводят к зна­чительным сложностям изучения их взаимодействия с техногенной средой. Большое количество техногенных сооружений построено на закарстованных известняках с применением противокарстовых мероприятий (завес, тампонажа, цементации и др.). Среди них Павловская ГЭС на р. Уфе, Каховская ГЭС на р. Днепре, Чарвак- ская ГЭС на р. Чирчике, Нарвская ГЭС на р. Нарве и др.

В горной практике большую известность получили бокситовые месторождения на Северном Урале, угольные месторождения Ки- зеловского, Подмосковного и Донецкого бассейнов, месторожде­ния горючих сланцев Прибалтийского бассейна, рудные месторож­дения в Сибири, которые разрабатываются в сильно обводненных условиях за счет водопритоков из закарстованных вмещающих карбонатных пород, коэффициент фильтрации которых достигает 200—500 и более метров в сутки.

Современный техногенный сульфатный и соляной карст, раз­вивающийся под воздействием гидротехнических сооружений и горных выработок при разработке месторождений подземных ис­копаемых, наблюдался на многих объектах в России и за рубежом. Примерами могут служить Камская ГЭС, построенная на загипсо­ванных пермских аргиллитах и доломитах, Нурекская и Рогунская плотины на р. Вахш в Таджикистане, построенные на соленосных породах, и некоторые другие объекты, которые потребовали доро­гостоящих противокарстовых мероприятий, обеспечивающих без­аварийную эксплуатацию.

Разработка соляных месторождений в Башкирии, Белоруссии и на Урале сопряжена с большими сложностями из-за развития со­временного соляного карста в новых техногенных гидрогеологи­ческих условиях, а именно при увеличении градиентов и скорос­тей фильтрационных потоков, техногенной трещиноватости и др.

Таким образом, в свете своего широкого распространения на освоенных и осваиваемых территориях и существенного негатив­ного влияния на жизнедеятельность общества карстовый процесс и его последствия в виде изменений физического состояния и свойств горных пород, гидрогеологических условий, устойчивости территорий и инженерных сооружений имеют огромное значение в науках о Земле и в практике строительства.

371

Данные этой таблицы подтверждают известную классификацию воднорастворимых минералов на слаборастворимые (карбонаты), среднерастворимые (сульфаты) и легкорастворимые (хлориды). Кроме того, эти данные указывают на необходимость различного отношения к прогнозу угрожаемости карста при освоении терри­торий в зависимости от типа залегающих пород: карбонатный карст представляет опасность своими уже сформировавшимися формами проявления, а сульфатный и особенно соляной — своим быстрым развитием под техногенными'воздействиями.

Растворимость указанных минералов существенно зависит от общей минерализации и химического состава растворяющих вод. Так, на растворимость карбонатов оказывают влияние такие со­единения, как С0₂, NaCl, CaS0₄, H₂S. В присутствии свободной углекислоты растворимость кальцита повышается:

Содержание свободной СОг, мг/л 0.25 2.40 25.0 2000

Растворимость СаСОз, мг/л (при / = 17 °С) 34 102 227 455

Растворимость карбонатных пород растет также с увеличением содержания H₂S в природных водах, при этом происходят следую-

щие химические реакции: 2S + 30₂ + 2Н₂0 -» 2H2S0₄; СаС0₃ + + H₂S0₄ -» CaS0₄ + С0₂ + 2Н₂0. Усиление карста примерно в два раза происходит за счет образования гипса, растворимость ко­торого выше, чем у кальцита, и свободной углекислоты, растворя­ющей кальцит. Растворяющая способность углекислых вод зависит и от величины давления С0₂, а также от температуры воды, что указывает на довольно сложную природу растворения карбонат­ных пород. Некоторое качественное представление об этом можно получить из результатов исследований Д. С. Соколова, представ­ленных на рис. 16.1. Показанные на этом рисунке графики свиде­тельствуют о падении растворимости кальцита и доломита с уве­личением температуры (рис. 16.1, а) и о ее увеличении с ростом давления углекислого газа (рис. 16.1,6). Однако поведение раство­римостей кальцита и доломита различается при взаимодействии с серной кислотой: при увеличении содержания H₂S в воде раство­римость кальцита падает, а доломита растет (рис. 16.1, в).

Агрессивность поверхностных и подземных вод формируется также за счет соединений, образующихся в результате деятельно­сти микроорганизмов, включающих к&к органические кислоты, так и соли серной, азотной и угольных кислот.

Условия и факторы развития карстового процесса приводят к характерным закономерностям его распространения, интенсивнос­ти и форм. Наиболее важной закономерностью, включающей целый ряд особенностей карста, является гидродинамическая зо­нальность, которая прослеживается вглубь и по горизонтали. По вертикали выделяют четыре зоны (рис. 16.2): аэрации (Г), сезонных колебаний (II), полного водонасыщения (III) с подзоной разгрузки и глубокого замедленного водообмена и движения (IV) (Соколов, 1962). По горизонтали выделены три зоны: присклоновая (Л), при- долинная (Б) и приводораздельная (В) (Лыкошин, 1968).

Наиболее интенсивно карстовые процессы происходят в зонах сезонных колебаний и присклоновой, в которых вода является пресной и агрессивной, а градиенты потока — значительными. На форму и размеры зон существенно влияют тектонические наруше­ния (разломы, трещины), которые могут служить путями движения грунтовых и глубинных напорных вод. С увеличением глубины и расстояния от речной долины интенсивность карста ослабевает из- за замедленного водообмена, малых градиентов потоков, низкой водопроницаемости пород и т. д.

Выявлена закономерность карстового процесса, регулируемая геоморфологией закарстованных районов. Об этом можно судить по данным о большом влиянии рельефа поверхности карстующих­ся карбонатных пород (известняков и доломитов силура, девона и карбона) в верхнем течении р. Уфы, приведенным в табл. 16.3. По­добная закономерность была также выявлена в районе Кизелов- ского угольного бассейна, где при изменении наклона поверхно­сти карстующихся пород от 1 до 6° плотность карстовых воронок изменялась соответственно от 33 до 9 на 1 км² площади. Этими данными подчеркивается влияние инфильтрации атмосферных осадков в карбонатный массив. На влияние инфильтрационных вод, но по другой причине, указывает пример распространения карстовых воронок на площадях разной степени защищенности карстующихся пород четвертичным покровом. В районе той же р. Уфы из 308 воронок только 7 были обнаружены на участке, где мощность четвертичных суглинков была выше 3—5 м, а рельеф характеризовался большими уклонами (Соколов, 1962).

Влияние современных и новейших тектонических движений на карстовый процесс обнаруживается при изучении изменения бази­сов разгрузки подземных вод, их градиентов, уклона поверхности рельефных форм и т. д. Колебательные движения положительного знака увеличивают контрастность рельефа и его энергию, что при­водит к большой интенсивности карстового процесса.

В заключение сформулируем основные общие закономерности развития карста по приведенным выше данным Д. С. Соколова (1962), Г. А. Максимовича (1963) и А. Г. Лыкошина (1968):

1. связь закарстованности с особенностями геологического строения и геологической историей района, определяющими унас­ледованный характер карстового процесса;

2. ослабление закарстованности массива с глубиной в связи со снижением трещинной пустотности, скоростей движения и агрес­сивности подземных вод;

более высокая степень закарстованности придолинных зон карстующихся массивов;

рост интенсивности карста при переходе от районов с сухим климатом к тропикам и субтропикам;