— слабой экстенсивности.

При максимальной экстенсивности площадь не менее 50 % по­ражена процессами, имеющими сплошное или прерывистое рас­пространение. Слабая экстенсивность характеризуется споради­ческим или единичным развитием процессов при занятости терри- юрии менее 10 %.

Предложенная Т. Ю. Пиотровской методика оценки геологи­ческих процессов позволяет прогнозировать возможность их воз­никновения и развития в пределах определенных новейших текто­нических структур (неоструктур) в зависимости от особенностей 1еодинамических режимов.

Неотектонический фактор, играющий большую роль в форми­ровании современных инженерно-геологических условий, наибо- iee ярко проявляется в горно-складчатых областях. Интенсивное пео!ектоническое воздымание складчатых сооружений, в основе которых лежат тектонические движения, приводят к изменениям залегания горных пород, разрыву их сплошности, перераспределе­нию напряжений в земной коре, появлению зон и очагов повышен­ных и пониженных напряжений, развитию процессов динамомета­морфизма (Сергеев, 1978). В это же время формируются основные черты современного рельефа с образованием сопряженных систем поднятий и впадин, четко определяется вертикальная геоморфоло­гическая зональность, интенсивно развиваются эндогенные и экзо­генные геологические процессы.

В качестве примера развития орогена под воздействием неотек­тоники можно привести Байкальскую рифтовую систему, образо­вание которой началось с середины неогена и продолжается в на­стоящее время. По мнению Н. А. Флоренсова и Н. А. Логачева, для этой системы характерны яркая морфологическая выразитель­

ность (альпинотипный сильно расчлененный рельеф высокогор­ных хребтов чередуется с впадинами, выполненными современны­ми осадками), интенсивный трахибазальтовый вулканизм, значи­тельные аномалии физических полей, высокая сейсмичность (по В. П. Солоненко, до 12 баллов на отдельных участках). Эти про­цессы продолжаются и в современную эпоху, о чем свидетельству­ют частые землетрясения, повышенный тепловой поток, обильные выходы термальных и минеральных вод, приуроченные к высоко­горному Саяно-Байкало-Становому поясу.

Существенное влияние на развитие многих процессов здесь оказала вторичная неотектоника или гравитационная складчатость, по С. М. Замараеву, который считает, что природа некоторых складчатых структур обусловлена процессом гравитационного со­скальзывания мощной кайнозойской толщи осадков по кровле кристаллического фундамента.

Складчатость, созданная вторичным неотектогенезом, а не глу­бинными процессами, наложила определенный отпечаток на со­временные инженерно-геологические условия. Широкое распрост­ранение многолетнемерзлых пород по днищам и бортам линейно­вытянутых кайнозойских депрессий представляет собой резко выраженное азональное явление. Мощность повышенно льдистых пород достигает 30—60 м. Здесь также развиты многочисленные бугры пучения, отмечаются современные термокарстовые проваль­ные озера.

В самой Байкальской впадине превышение гребней подводных антиклиналей над осями прогибов (синклиналей) составляет от де­сятков до нескольких сотен метров. Пластическое скольжение типа медленной ползучести кайнозойской песчано-глинистой толщи мощностью до 1000 м и более проявляется при среднем наклоне кровли кристаллического фундамента до 7—8°.

На Байкале гравитационный процесс следует рассматривать как следствие длительного неотектонического опускания Байкаль­ской впадины и высокой сейсмической активности района. Пер­вые признаки ползучести мощных толщ глинистых пород, возмож­но, возникли в плиоцене и заметно возросли в четвертичное время в связи с резким опусканием дна озера и возросшей скоростью аккумуляции осадков.

Длительный процесс смещения мощных толщ песчано-глинис­тых пород под воздействием силы тяжестй естественно вызвал рас­тягивающие напряжения в бортовых частях впадины, заполненных рыхлыми осадками. Внешней разрядкой этих напряжений в плей- стосейстовых зонах земной коры, как показали опытные наблюде­ния над промышленными взрывами, являются сейсмогравитацион­ные силы. Если исходить из этих позиций, то можно выдвинуть гипотезу, что заливы Провал, Посольский и Истокский на Байкале имеют не чисто тектоническое, как это принято считать сейчас, а гравитационное происхождение. В этом случае неотектонические движения — толчки при землетрясениях — создавали лишь им­

пульс, своеобразный спусковой механизм, при котором возникают резкие разряды напряжений. Известно, что залив Провал на Бай­кале образовался при 10-балльном землетрясении. За двое суток произошло опускание Цаганской степи площадью до 200 км², мак­симальная величина опускания составила 8—10 м. Наибольшие размеры оседания поверхности земли отмечались в тыловой части залива, дно которого с момента его образования, т. е. с 1862 года, испытывает процесс медленного опускания. Среднегодовая вели­чина оседания за 60 лет (1898—1958), по данным Н. П. Ладохина, составила 8—18 мм/год. При этом наибольшие величины опуска­ния отмечаются опять-таки в тыловой части залива. Перекос, воз­никший в начальную стадию образования залива Провал и разви­вающийся за весь период его существования, хорошо согласуется с гравитационным происхождением и развитием громадного по своим размерам оползня. Если принять во внимание, что заливы Провал, Посольский, Истокский располагаются на крыльях грави­тационной складки, то можно сделать вывод, что грандиознейшие оползни на Байкале представляют собой наложенные процессы и являются следствием вторичного гравитационного неотектогенеза.

Менее значительное влияние оказывает неотектоника на фор­мирование и изменение инженерно-геологических условий в преде­лах платформенных областей. Главная особенность платформен­ных структур заключается в их блоковом строении и подвижках по разломам, ограничивающим блоки. По активным неотектони- ческим разрывным нарушениям не происходит перемещений слоев осадочного чехла, но они создают зоны повышенной тектоничес­кой трещиноватости и флексурообразных перегибов, которые спо­собствуют разрядке напряжений и созданию участков ослаблен­ных пород, увеличивается их проницаемость, глубинный газо- и водообмены, повышается активность взаимосвязи поверхностных и подземных вод (Теоретические основы..., 1985). В пределах этих иеоструктур неотектонические движения обусловливают оформле­ние современных черт рельефа и развитие экзогенных геологичес­ких процессов.

Плита древней Сибирской платформы в течение кайнозоя в целом испытала небольшое общее поднятие со слабо'дифферен­цированной структурой. В это время сформировался ее морфоло­гически структурный план и современный рельеф с комплексом рыхлых отложений и криолитозоной. В то же время необходимо отметить, что поднятие отдельных частей платформы (блоков) происходило неодинаково и с разной скоростью (рис. 9.1). Начало основного этапа неотектонического развития платформы относит­ся ко второй половине плиоцена, когда относительный тектони­ческий покой плиты сменился резкой активизацией тектоничес­ких движений. В это время окончательно оформились границы п шформы, ее морфоструктурный план и конфигурация гидросе­ти. Последний значительный этап неотектонической активизации приходится на голоцен. Это эпоха окончательного формирования

ния определяют углубление долин, расчленение и преобразование склонов, развитие экзогенных геологических процессов с преобла­данием физического выветривания, облёссования покровных отло­жений и склоновые смещения фунтов. При этом фомадные оползни выдавливания блочного типа, проявляющиеся на крутых склонах, стоженных пластовыми телами траппов, развиваются в течение всего кайнозоя и являются результатом неотектонического подня­тия региона.

Кроме этих процессов неотектоника оказывает существенное в шяние на активизацию карста, развивающегося в этом регионе с кембрия по настоящее время. Проявление карста приурочено к зонам разрывных нарушений с повышенной трещиноватостью пород и активным водообменом. Также широко развита линейная эрозия, активизированная в последнее время под воздействием техногенного прессинга.

Важнейшим компонентом инженерно-геологических условий Сибирской платформы является многолетняя мерзлота, образова­ние которой произошло в среднем—позднем плейстоцене в пери­од относительной тектонической стабилизации плиты, но в суро­вых климатических условиях.

Преобладание неотектонических движений положительного знака с денудацией поднимающихся частей способствовало акку­муляции во впадинах и долинах рыхлых отложений, инженерно­геологические свойства которых формировались на протяжении всего кайнозойского периода. Вместе с тем необходимо подчерк­нуть, что, как полагает С. А. Сладкопевцев, важнейшие свойства всех фунтов до глубины 2—3 м независимо от их происхождения, возраста материнского субстрата, положения в рельефе оконча­тельно сформировались в голоцене. Именно эти свойства в насто­ящее время изучает инженерная геология.

Другой тип геоструктуры — Западно-Сибирская плита, моло­дая платформа. Роль неотектонических движений в ее развитии и формировании инженерно-геологических особенностей подробно изучена С. Б. Ершовой (Инженерная геология СССР, 1976; Теоре­тические основы..., 1985). В течение кайнозойского времени были сформированы основные черты рельефа, при этом главное рель­ефообразующее значение имели тектонические движения поздне- пдиоцен-четвертичного времени. Очертание гидрофафической сети, междуречных пространств, их гипсометрические отметки, глубина и интенсивность расчленения, высоты террасовых уров­ней определены амплитудами поднятий в средне-верхнечетвертич­ное время, когда произошло пофужение северной части плиты и устойчивое поднятие ее центральных и южных районов, сопро­вождающееся прекращением площадного накопления осадков. В это же время по зонам относительных опусканий и глубинных разло­мов были заложены прадолины Оби и Иртыша. На рис. 9.2 приве­ден фафик изменений скоростей неотектонических движений в южной части плиты.

Дифференцированность подвижек и смещение областей проги­бания и поднятий обусловили характер формирования рыхлых грунтов, представленных чехлом песчано-глинистых пород мощ­ностью до 400 м. Современные тектонические движения определи­ли и характер формирования отдельных литологических разнос­тей пород. Так, пойма р. Оби на участках во'здымания сложена супесчаными отложениями, в то время как в зонах опускания ши­роко развиты суглинки (Сергеев, 1978).

В течение новейшего этапа развития плиты и четвертичных рельефообразующих движений сформировались основные особен­ности первого гидрогеологического комплекса Западно-Сибирско­го артезианского бассейна — водоносные толщи и водоупоры, на­правление подземного стока, границы гидрогеологических рай­онов, совпадающие с орографическими водоразделами областей поднятий. К участкам поднятий также приурочены мощные зоны аэрации, а к впадинам — области повышенной минерализации и разгрузки.

Развитие экзогенных геологических процессов также во многом определяется характером неотектонических движений. В пределах развития воздымающихся участков увеличивается расчлененность рельефа, происходит подмыв высоких крутых склонов с развитием

на них гравитационных процессов и в первую очередь оползней, смещение русел рек. У дер. Кривошеево долина р. Оби в результате интенсивного поднятия правого борта, расположенного на склоне Обь-Енисейской антеклизы, сместилась влево на несколько кило­метров. С зонами опусканий связаны процессы заболачивания. Так, по данным Е. М. Сергеева (1978), вдоль Шудельской приразломной зоны заболоченность увеличилась на 70—80 %.

Таким образом, очевидно, что современные тектонические дви­жения оказывают существенное влияние на инженерно-геологи­ческие условия. Следует подчеркнуть, что особо опасными для ус­тойчивости различных сооружений все-таки являются сейсмичес­кие явления, детально рассмотренные выше. Поскольку эта проблема весьма актуальна, то и существуют различные способы защиты сооружений от сейсмических толчков. Они довольно под­робно изложены в главе 7 этого раздела.

Естественно, что и другие неотектонические движения — мед­ленные поднятия отдельных участков поверхности земли, безус- говно, также оказывают влияние на нормальную работу различных сооружений, однако их воздействие во много раз меньше результа­тов землетрясений.

В целом следует подчеркнуть, что проблема оценки влияния I аких медленных современных движений на устойчивость соору­жений пока разработана слабо. Общепринятых методов борьбы с этими явлениями пока еще нет. Одно безусловно — неотектони­ческие движения необходимо учитывать при строительстве протя­женных линейных сооружений (трубопроводы, кабельные линии связи, особенно на стекловолокнистой основе), работающих в пределах различных по активности современных тектонических движений частях неоструктур. Необходим их учет и при создании крупных гидротехнических сооружений, особенно водохранилищ, располагающихся в долинах рек, заложенных по тектоническим зонам, являющимися границами отдельных подвижных блоков. Кроме того, устойчивость сооружений определяется характером фунтов основания, формирование свойств которых, как было по­казано выше, часто происходит под воздействием неотектоники. Необходимо учитывать и рельеф, и гидрогеологические особен­ности, но главное ■— это экзогенные геологические процессы, ак­тивизация которых является результатом именно этих движений.

БелыйЛ. Д., Попов В. В. Инженерная геология. М.: Стройиздат, 1975.

Болт Б. А., ХорнУ. Л., Макдоналд Г. А., Скотт Р. Ф. Геологические стихни М.: Мир, 1978.

Гоби-Алтайское землетрясение / Под ред. Н. А. Флоренсова и В. П. Солонен- ко. М.: Изд-во АН СССР, 1963.

Геология и сейсмичность зоны БАМ. Инженерная геология и инженерная сей­смология / Под ред. В. П. Солоненко. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1985.

Голенецкий С. И. Землетрясения в Иркутске. Иркутск: Изд-во Имя, 1997.

Горшков Г. П., Якушева А. Ф. Общая геология. М.: Изд-во МГУ, 1973.

ГуптаХ., РастогиБ. Плотины и землетрясения. М.: Мир, 1979. 251 с.

Землетрясения в СССР в 1981 году. М.: Наука, 1984.

Золотарев Г. С. Инженерная геодинамика. М.: Изд-во МГУ, 1983.

Инженерная геодинамика и геологическая среда / Под ред. О. В. Павлова и Ю. Б. Тржцинского. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1989.

Инженерная геология СССР. Т. 2. Западная Сибирь / Под ред. Е. М. Сергеева М.: Изд-во МГУ, 1976. 494 с.

Инженерная геология СССР. Т. 3. Восточная Сибирь / Под ред. Г. А. Голодков- ской. М.: Изд-во МГУ, 1977. 660 с.

Инженерная геология СССР. Урал, Таймыр и Казахская складчатая страна. М Недра, 1990. 408 с.

ЛомтадзеВ.Д. Инженерная геодинамика. Л.: Недра, Ленинградское отделе ние, 1977.

Лятхер В. М., Капцан А. Д., Макаров А. Р. и др. Об изменениях геофизических полей и свойств горных пород под влиянием водохранилищ в сейсмоактивных рай­онах У Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. М.: Наука, 1997. С. 47—68.

Маслов Н.Н., Котов М. Ф. Инженерная геология. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.

Медведев С. В. Инженерная сейсмология.‘М.: Госстройиздат, 1962.

Николаев А. В. Проблемы наведенной сейсмичности И Наведенная сейсмич­ность. М.: Наука, 1994. С. 5—15.

Николаев Н. И. О состоянии изучения проблемы возбужденных землетрясений, связанных с инженерной деятельностью И Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. М.: Недра, 1977. С. 8—21.

Основы гидрогеологии, геологическая деятельность и история воды в земных недрах / Под ред. Е. В. Пиннекера. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1982.

ПасечникИ. П. Землетрясения, инициированные подземными ядерными взры­вами И Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. М.: Наука 1977. С. 142—152.

Поляков В. С., КимельникЛ. Ш., Черкашин А. В. Современные методы сейсмо­защиты зданий. М.: Стройиздат, 1988.

Пономарев В. С., Ромашов А. Н., Турунтаев С. Б. Закономерности разрушения энергонасыщенных сред в проявлениях наведенной сейсмичности И Наведенная сейсмичность. М.: Наука, 1994. С. 73—91.

Рыбников С. И. Влияние запусков крупнейших ракетных комплексов на обра­зование сильных землетрясений И Наведенная сейсмичность. М.: Наука, 1994 С. 92—102.

Сейсмическая шкала и методы измерения сейсмической активности. М.: Наука 1975.

Сергеев Е. М. Инженерная геология. М.: Изд-во МГУ, 1978. 384 с.

Строительные нормы и правила. Строительство в сейсмических районах (СНиП II-7-81). М.: Стройиздат, 1982.

Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений (СНиП 2.02.01.83). М.: Стройиздат, 1983.

Ташкентское землетрясение 26 апреля 1966 г. Ташкент: Изд-во Фан, 1971.

Теоретические основы инженерной геологии. Геологические основы / Под ред Е. М. Сергеева. М.: Недра, 1985. 332 с.

Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979. 5б0с.

Gough D. /., Gough W. I. Stress and deflection in the lithosphere near Lake Kari- ba // Geophys. J. 21. 1970. P. 65—78.

Gough D. /., Gough W. I Load induced earthquake at Lake Kariba // Geophys. J. 21 1970. P. 79—101.

Hubbert М. K„ Rubey W. VP. Role of fluid pressure in mechanics of overthrust fa­ulting 1. Mechanics of fluid-filled porous solids and its application to overthrust faul­ting // Bull. Geol. Soc. Amer. Vol. 70, N 2. 1959. P. 75—80.

HealyJ. H. et al. Earthquakes induced by fluid injection and explosion // Tectono- physics. Vol. 9, N 12, 3. 1970. P. 115—123.

Mogi K. Some discussions on aftershocks, foreshocks and earthquake swaring — the fracture of a semi-infinite body caused by inner origin and its relation the earthqu­ake phenomena У Bull. Res. Int. Vol. 41, 1963. P. 615—658.

Раздел III

на естествен­ных обнажениях '[(склонах, берегах)|\

бури

цессов выветривания считают тот факт, что они «не образуют соот­ветствующей группы форм рельефа экзогенного происхождения» (Динамическая геоморфология, 1992). Но более существенным, на наш взгляд, является утверждение о том, что процессы выветривания служат необходимыми «подготовителями» (по нашей терминоло­гии) для экзогенного рельефообразования. Без формирования коры выветривания не могут возникнуть ни денудация, ни аккумуляция. Можно предложить следующую схему последовательностей и взаи­мосвязей: выветривание «-» денудация аккумуляция —> выветри­

вание. Последнее характерное отличие процесса выветривания ав­торы «Динамической геоморфологии» (1992) видят в том, что он вы­зывает появление не только рельефообразующих процессов, но и литогенеза (образования элювия).

JI. А. Ярг (1991) составила схему взаимодействия между выше­названными условиями и факторами и его результатами (рис. 10.2), в которой показаны три группы факторов: региональные (правиль­нее их было бы назвать природными условиями), зональные и тех­ногенные (азональные). По результатам взаимодействия между двумя системами — региональными условиями и природно-(зо- нально-)техногенными факторами — можно провести геохимичес­кую и гидрохимическую зональность, охарактеризовать механизм процесса выветривания, а также строение измененной толщи гор­ных пород и их свойства. Важнейший фактор выветривания — солнечная энергия — влияет на дезинтеграцию (трещиноватость) пород, на изменение их минерального и гранулометрического со­става, плотности, влажности, структуры и текстуры, прочности и деформируемости. Особенно сильно влияние этого фактора сказы­вается в верхней части зоны гипергенеза, где температура может меняться в очень широких пределах, а главное переходить через «пулевой барьер» и тем самым изменять физическое и агрегатное состояние грунтовых вод, содержащихся в порах и трещинах гор­ных пород.

Как следует из принципа Вант-Гоффа, скорость химических ре­акций существенно зависит от температурного режима горных пород и подземных вод и может отличаться на порядок для разных ктиматических зон. Биологическая продуктивность территории су­щественно сказывается на интенсивности процесса выветривания посредством органического вещества, мощного источника углекис-

лого газа, который является фактором формирования агрессивности природных вод. Растения, поглощая углекислоту, выделяют эквива- лентное количество кислорода, необходимого элемента многих ги- пергенных процессов (в частности, латеритизации).

Атмосферные воды являются очень сильным фактором выветри­вания горных пород. Попадая в трещины и поры пород, они начи­нают свое взаимодействие с твердой минеральной фазой и с поро- вым раствором, в результате чего наступают изменения состава обеих фаз. Происходят такие процессы, как растворение, выщела­чивание, гидролиз, гидратация, выпадение новых соединений в осадок, псевдоморфное замещение, метасоматоз и др. Иногда атмосферные воды выпадают на земную поверхность с некоторым техногенным загрязнением. Источниками загрязнения являются: газовые и дымо­вые отходы, содержащие ионы СО]^- , SO]-, С1-; жидкие и твердые отходы промышленных и особенно горно-химических предпри­ятий, в которых содержатся соляная, серная, уксусная, азотная, фто­ристо-водородная и другие кислоты, создающие условия для форми­рования агрессивных «кислотных» дождей с низкими значениями pH (от 3 до 5). В зарубежной литературе приводятся интересные примеры о «кислотных» дождях, выпавших в провинции Онтарио (Канада) и сделавших безжизненными 148 озер. Формирование воз­душной среды над Канадой, по мнению американских специалис­тов, происходило с участием выбросов в атмосферу около 4 млн т диоксида серы промышленными предприятиями и энергетическими объектами США. Около 150 тыс. т сернистых соединений выпада­ют вместе с дождями на территории Скандинавии только за осенне- зимний период (Ярг, 1991).

Многие исследователи (главным образом геоморфологи), изу­чая факторы физического выветривания, считают главным среди них изменение температуры, выделяя «температурное выветрива­ние» в отдельный процесс, приводящий к дезинтеграции пород Детальные наблюдения показали, что при этом происходят два различных вида изменений состояния пород: образование новых трещин (факторы трещинообразования) и расширение существую­щих (факторы трещинорасширен ия). Первый из них считается чаще эндогенным процессом, а второй — экзогенным (Динамичес­кая геоморфология, 1992). Приведенные здесь результаты наблю­дений имеют важное практическое значение для изучения специ­фики формирования современных кор выветривания на искусст­венных обнажениях за сравнительно короткий период времени с участием дополнительного техногенного воздействия (взрывные работы, изменение напряженного состояния и температурного гра­диента пород и др.). В этих условиях происходит изменение физи­ческого состояния и свойств пород за счет расширения существу­ющих трещин и образования новых, в результате чего в период строительства и эксплуатации сооружений (особенно гидротехни­ческих, горных и транспортных) возрастает водопроницаемость и деформируемость выветрелого массива, а его прочность падает.

Продуктом процесса выветривания являются элювиальные об­разования, представляющие собой измененные в разной степени материнские породы различного генезиса, состава, состояния и свойств. Строение и мощность измененных выветриванием пород (коры выветривания) зависят от условий и факторов выветрива­ния, продолжительности этого процесса, а также от интенсивнос­ти процессов сноса и аккумуляции элювиальных отложений. Кора выветривания формируется двумя стадиями процесса выветрива­ния —■ разрушением и строением, происходящими попеременно. С точки зрения изменения инженерно-геологических условий тер­риторий и возможной опасности их освоения можно утверждать, что разрушительный эффект преобладает. (Еще раз проанализи­руйте цепочку процессов, изображенную на рис. 10.1). Приведем в итоге основные результаты выветривания. Это — разрушение и разложение материнских пород, выщелачивание и вымывание части этих пород, изменение состава и минерализации поровых и трещинных вод, формирование новых минералов и пород. Подго­товленный новый тип континентальных отложений (элювий) про­ходит через несколько стадий изменения и приобретает свои спе­цифические черты. Среди них наиболее характерными являются (Ярг, 1991):

• различные формы геологических тел и различные условия их залегания, обусловленные типом коры выветривания (площад­ной или линейной);

невыдержанное по мощности и простиранию зональное строение без четких границ между отдельными разновидностями пород;

постепенное приобретение черт осадочных пород, форми­рующихся в приповерхностной части литосферы в результате ее взаимодействия с внешними сферами и космосом. При этом в от­дельных горизонтах элювия сохраняются многие характерные черты материнских пород: минеральный и химический состав, структура, текстура, трещиноватость, пористость и др.;

наличие в сравнительно маломощной толще элювиальных отложений большого разнообразия пород по составу, состоянию и свойствам, от трещиноватой прочной скалы до влажной пластич­ной водонепроницаемой глины.

Основные перечисленные особенности элювиальных отложе­ний свидетельствуют о большом их разнообразии по составу, ус- товиям залегания, физическому состоянию и свойствам, что предполагает значительные сложности в их изучении и оценке, а также определенные трудности в прогнозировании возникновения н развития в них геологических процессов под воздействием как природных, так и техногенных факторов. О сложностях инже­нерно-геологического изучения выветрелых пород можно судить по большому количеству опубликованных рекомендаций, инст­рукций, методических указаний и т. п. Особенно детально эти проблемы рассмотрены в работах Г. С. Золотарева (1981, 1983) и

Л. А. Ярг (1987, 1991). В настоящее время в состав инженерно­геологических исследований кор выветривания входят инженер­но-геологическая съемка, геофизические, буровые и горные рабо­ты, опробование, полевые и лабораторные исследования состава и физико-механических свойств пород, инструментальные геоде­зические наблюдения, опытно-фильтрационные работы и др. Де­тальность этих работ зависит от стадии освоения конкретной территории.

В качестве основных вопросов, возникающих у геологов, про­ектировщиков и строителей, можно отметить следующие (Ярг, 1991):

1. На стадии технико-экономических обоснований (ТЭО):

1. Установление закономерностей распространения кор вывет­ривания, их типов (площадных, линейных), строения, мощности, возраста.

2. Разработка региональной схемы расчленения коры выветри­вания.

3. Выявление свойств выветрелых пород в целом, с полнотой, достаточно обеспечивающей инженерно-геологическую оценку территории.

4. Оценка современных тенденций процесса выветривания горных пород, распространенных в пределах изучаемого района.

5. Выявление приуроченности оползней, обвалов, осов, куру- мов к зонам выветривания.

6. Установление возможности использования выветрелых пород в качестве строительных материалов (при возведении дамб, плотин, насыпей).

Б. На стадии разработки проекта:

1. Сравнительная оценка распространения выветрелых пород на перспективных для строительства участках территории в преде­лах изучаемого района; сравнительная оценка типов, строения и мощности выветрелых пород, приближенная оценка их свойств.

2. Выявление закономерностей распространения выветрелых пород на выбранном участке, установление пространственной из­менчивости их мощности.

3. Расчленение коры выветривания на зоны.

4. Оценка показателей состава и свойств пород в пределах вы­деленных зон с точностью и доверительной вероятностью, обеспе­чивающей проведение предварительных расчетов оснований (обоснование компоновочного решения).

5. Предварительная оценка тенденции современного процесса выветривания горных пород в пределах выбранной площадки (ско­рость, интенсивность, изменения свойств).

6. Оценка пород разной степени выветрелости в отношении сопротивления их эрозионному и абразионному размыву, разви­тию выщелачивания и карста, осыпанию, оплыванию, устойчивос­ти в обнаженных склонах и откосах.

2. На стадии подготовки рабочей документации:

1. Детальное расчленение коры выветривания в пределах буду­щей сферы взаимодействия проектируемого сооружения.

2. Оценка показателей свойств грунтов каждой зоны выветри­вания с точностью и доверительной вероятностью, достаточной дзя окончательных расчетов основания сооружения и разработки проекта строительных работ.

Количественный пространственно-временной прогноз про­цесса выветривания пород в перибд строительства и эксплуатации сооружений.

Определение глубины съема" в основании сооружений и мощ­ности защитного целика.

Выбор мер по укреплению методами анкерования, техничес­кой мелиорации и др.

Оценка эффективности мероприятий, направленных на предохранение пород от процесса выветривания.

Определение эффективных способов их разработки в котло­ванах и карьерах.

Г. На стадии строительства и эксплуатации сооружений:

1. Проверка соответствия фактических (полученных в строи­тельных выемках, опытно-эксплуатационных штольнях) и проект­ных данных о строении и свойствах пород коры выветривания.

2. Проверка достоверности прогноза процесса выветривания по фактической инженерно-геологической информации и его кор­ректировка.

Анализ перечисленных вопросов показывает, что для получения необходимой информации в первую очередь следует провести рас­членение коры выветривания и дать ее общую характеристику. В гео- чогической науке разработаны разные подходы к изучению кор выветривания: по условиям образования и залегания, времени обра­зования (возрасту), типу материнских пород, преобладающим про­цессам разложения пород и степени их дезинтеграции (в основном физической). Последний из перечисленных выше подходов харак­терен практически для всех инженерно-геологических схем расчле­нения коры выветривания. Среди них известность получили схемы Г. С. Золотарева (1948,1962,1971,1983), Н. В. Коломенского (1952), Е. М. Сергеева и Ю. Д. Матвеева (1970), JI. А. Ярг (1974, 1985, 1991). Среди геологов-геохимиков наибольшее распространение и призна­ние получила схема И. И. Гинзбурга. Во всех схемах выделено от 3 до 5 зон с различным состоянием выветрелых пород (элювия). Ос­тановимся подробнее на схеме Г. С. Золотарева, получившей наи­большее применение в инженерно-геологических исследованиях {рис. 10.3). Он выделяет три зоны измененных в результате вывет­ривания пород.

На монолитной материнской породе, в которой трещинова­тость является результатом тектонической обстановки данного ре­гиона, залегает трещинная зона выветривания, глубина которой в горных областях достигает нескольких сотен метров. Изменения в этой зоне в основном связаны с физическим выветриванием —

Названия и индексы зон выветривания

быть участки, осложненные крупными тектоническими нарушени­ями, карстом или техногенной трещиноватостью, являющейся следствием горного давления.

Обломочная зона представлена породами, нарушенными ин­тенсивной трещиноватостью в результате физического выветрива­ния и изменением минерального состава химическими процесса­ми. Для этой зоны характерна большая неоднородность по всем показателям физических и механических свойств: трещиноватос­ти, водо- и газопроницаемости, прочности и деформируемости. Эти показатели могут отличаться в пределах зонк более чем на порядок. В зоне возникают разные экзогенные процессы, такие как эрозия, абразия, осыпи, обвалы, оползни. В подземных выра­ботках, пройденных в пределах обломочной зоны, проявляются вывалы, обрушения кровли, большая водообильность, водные про­рывы и т. п. Зона является опасной в период строительства, а во время эксплуатации она требует соответствующего крепления (бе­тонного, железобетонного, металлического или деревянного), что существенно увеличивает стоимость поддержания подземных вы­работок по правилам безопасности при их строительстве и эксплу­атации. В пределах обломочной зоны выделяют разное число под­зон. Так, JI. А. Ярг выделила глыбовую и щебнистую подзоны по степени дезинтеграции пород. Другие исследователи, в том числе Г. С. Золотарев, выделяют четыре подзоны (горизонта) по степени выветрелости, т. е. по размеру дресвы, глинистости, ожелезнению, загипсованности, плотности. По всей вероятности, эти исследова­тели проводят верхнюю границу обломочной зоны несколько выше, чем позволяет ее название. Отсутствие данных о порядке минимальных размеров обломков дает возможность в конкретных условиях проводить границы по другим характерным признакам. Поскольку подобное расчленение является инженерно-геологичес­кой схематизацией и главные признаки выделенной зоны опреде­ляют ее поведение при взаимодействии с другими средами, в том числе с инженерными сооружениями, то по аналогии с массивами иевыветрелых пород к обломочной зоне надо относить породы, которые по современной классификации грунтов принадлежат к классу обломочных пород. Известно, что для обломочных пород размер и форма обломков играют основную роль в формировании их физико-механических свойств. К такому принципу выделения глыбовой и мелкообломочной (зернистой) зон уже прибегал Н. В. Ко­ломенский (1964), изучая кору выветривания в районе строитель­ства Мингечаурской ГЭС. Граница между этими двумя зонами проходит по размеру обломков в 10 см (больше 10 см — глыбовая, меньше — мелкообломочная). А ведь по существу эти две зоны составляют одну обломочную зону в схемах расчленения коры вы­ветривания, предложенных Г. С. Золотаревым и Л. А. Ярг.

Дисперсная зона, как правило, завершает разрез коры выветри­вания. Она представлена практически новым геологическим обра­зованием, коренным образом отличающимся от материнской по­

роды по составу, состоянию и свойствам. В этой зоне преобладают вторичные глинистые минералы, образовавшиеся в результате вы­ветривания, здесь накапливаются гипс, карбонаты, окислы железа. Обычно в пределах дисперсной зоны выделяют две подзоны: верх­нюю глинистую, весьма однородную по физико-механическим свойствам и практически водонепроницаемую, и нижнюю песча­но-глинистую с включениями Щебня, менее однородную и слабо водопроницаемую.

Одной из важнейших задач, решаемых при оценке инженерно­геологических условий осваиваемых территорий, на которых рас­пространены выветрелые породы, является определение глубины заложения разных сооружений, как подземных, так и наземных. Решение этой задачи требует изучения состояния выветрелых пород и изменения мощностей отдельных зон и коры выветрива­ния в целом. При строительстве наземных сооружений (зданий, плотин, дорожных трасс и т. п.) по инженерно-геологической ин­формации определяется мощность пород, подлежащих съему, т. е, определяется объем пород для экскавации, что существенно влия­ет на экономику строительства. Для подземных сооружений опре­деляется нижняя граница коры выветривания, для того чтобы их заложение происходило в монолитной толще и таким образом ис­ключало нарушение устойчивости пород и дорогостоящее крепле­ние в период строительства и эксплуатации. К сожалению, вопро­су о мощности зон и кор выветривания уделяется неоправданно мало внимания. Ведь процессы выветривания проникают на боль­шие (до 100 м) и даже очень большие (до 1 км) глубины. Поэтому для надежного строительства и эксплуатации инженерных соору­жений необходима точная информация не только о мощности, но и о состоянии и свойствах пород коры выветривания.

При изучении кор выветривания, формирующихся в разных климатических и геологических условиях, следует иметь в виду два важных обстоятельства. Породы каждой зоны выветривания характеризуются специфическими свойствами, определяющими поведение этих пород при их взаимодействии с различными среда­ми, в том числе с человеческой деятельностью. Очень часто коры выветривания имеют неполный, «усеченный», разрез, что связано с определенными местными условиями или действующими факто­рами. Н. В. Коломенский (1964) приводит пример, когда выщела­чивание цементирующего вещества из песчаников приводит к формированию песчаного элювия, характерного для мелкообло­мочной подзоны, минуя трещинную зону и глыбовую подзону. Что же касается возможного отсутствия дисперсной зоны или ее части, то примеров и причин тому можно привести довольно много. Это развевание, снос, размыв, осыпание, сползание и, наконец, экска­вация ее человеком.

Особо хотелось бы отметить приоритетность геологических ус­ловий (в частности, материнских пород) в формировании коры выветривания. На рис. 10.4 приведен наглядный пример сравне-

Рис. 10.4. Зоны выветривания нижнедевонских песчани- ков, алевролитов и аргиллитов на р. Чусовой (по В. Д. Галактионову).

а — зона тонкодисперсных пород; б — зона грубодисперсных по- род; в — зона переходная; г— зона интенсивной физической дезинтеграции пород; д — зона умеренной физической дезинте- грации пород; е — зона затухания выветривания.

Р_лп < ^ог — л¹¹⁸ районов с дефицитом влаги;

Р_лп < Р_ог + Р_рл + Р_рв + Р_рп — для областей с умеренным климатом:

Рлп ^{< р}ог + Ррп — Для субтропического пояса с избыточным увлажнением,

где Р_лп — локальная прочность известняков; Р_ог — объемно-гра­диентное напряжение; Р_рл — расклинивающее давление льда; Р_рв — расклинивающее давление водных пленок; Р_рп — сниже­ние прочности, обусловленное разгрузкой вокруг формирующихся пустот. Размерность всех величин, входящих в неравенства, Н/м².

ОЦЕНКА ВЫВЕТРЕЛОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД

Для выполнения инженерно-геологических оценок и прогно­зов, как известно, необходимы количественные показатели свойств горных пород, характеризующие их в определенном физи­ческом и напряженном состояниях, позволяющие оценить степень их изменения и прогнозировать характер и интенсивность разви­тия ожидаемых процессов (активизация старых и возникновения новых). Из предыдущего рассмотрения основных черт процесса выветривания и расчленения коры выветривания можно сделать вывод о том, что в данном случае мы будем использовать большой набор показателей состава и физико-механических свойств всех групп пород (скальных, полускальных, рыхлых несвязных, глинис­тых и особого состава состояния и свойств). Эти показатели можно разбить на три категории по их назначению: а) показатели для оценки современного состояния пород в разных зонах коры выветривания, т. е. характеризующие выветрелые породы и ис­пользуемые для решения разных научных и прикладных задач;

б) показатели для оценки свойств пород, незатронутых выветрива­нием, которые в первую очередь используются для определения степени выветрелости (изменения состава, состояния и свойств), а также для решения задач проектирования сооружений, таких как определение глубины заложения сооружения, несущей способнос­ти невыветрелых пород, возможных техногенных геологических процессов и явлений и т. д.; в) показатели, используемые для ре­шения специальных задач теоретического и прикладного назначе­ния (например, для установления закономерностей, районирова­ния, перспективного проектирования и т. д.).

Значительные сложности оценки выветрелых пород связаны с тем, что стандартные лабораторные методы исследования имеют существенные ограничения. Кору выветривания следует рассмат­ривать как неоднородный, анизотрЬпный массив, к изучению ко­торого надо подходить с учетом масштабного эффекта и структур­ного ослабления. Исключением является только часть дисперсной зоны.

Оценка степени выветрелости пород и расчленения коры вы­ветривания может быть выполнена на качественном и количест­венном уровнях. Роль качественных показателей могут играть раз­личные внешние признаки пород: трещиноватость, раздроблен­ность, изменение цвета в связи с появлением окислов железа, изменение текстуры и плотности (пустотности), присутствие новых образований (гипса, карбонатов, окислов железа) и др. Осо­бое значение для инженерно-геологической оценки степени вы­ветрелости имеет раздробленность пород, которая визуально хоро­шо видна для большинства горных пород. По ней, как правило, происходит первоначальное расчленение кор выветривания.

Среди количественных показателей, относящихся к категории

а) и определяемых в лабораторных условиях, используют следую­щие: плотность, влажность, скорость упругих волн, гранулометри­ческий состав, состав новых минеральных образований, трещино­ватость, прочность, деформируемость, водопроницаемость, водо­устойчивость и др. Поскольку эти показатели будут применяться в дальнейшем для оценки степени выветрелости, они должны опре­деляться стандартными методами. При использовании других ме­тодов и способов необходимо следить за тем. чтобы сравниваемые величины конкретного показателя были получены одинаковыми методами и в одном и том же масштабе опытных тел.

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЫВЕТРЕЛОСТИ ПО ТРЕЩИНОВАТОСТИ

Изучение трещиноватости дЛя этой цели ведется по трем ха­рактерным направлениям: 1)по элементам залегания трещин; 2) по степени (интенсивности) трещиноватости; 3) по заполните­лю трещин и морфологии их стенок.

1. Положение трещин в пространстве, как известно, опреде­ляется тремя элементами: азимутом простирания, азимутом паде­ния (отличающимся на 90°) и углом падения. По замерам на естес­твенных и искусственных обнажениях, охватывающих материнс­кую породу и ее выветрелые разновидности, строят различные 1рафики (розу трещиноватости, точечные диаграммы, диаграммы в изолиниях и др.), которые позволяют не только охарактеризовать трещиноватость пород в месте опробования, но и довольно точно расчленить кору выветривания. На примере изучения известняков ордовика в Ленинградской области можно продемонстрировать четкое разделение тектонической трещиноватости, характерной для глубоких невыветрелых горизонтов, от трещиноватости вывет­ривания (рис. 10.5). Ордовикские известняки характеризуются b региональном плане наличием двух систем тектонических трещин почти вертикального падения северо-восточного (30—40°) и севе­ро-западного (310—340°) простирания. Первые являются трещи­нами растяжения и раскрыты, а вторые — трещинами сжатия, в невыветрелых известняках они сомкнуты и имеют ровные стенки,

о

трещин расширения, а для выветрелых пород значения этого ко­эффициента резко возрастают и могут достигать 10—20 % как за счет образования новых трещин выветривания, так и за счет расши­рения старых (тектонических). Этот показатель может служить кри­терием отделения трещинной зоны выветривания от обломочной.

б Коэффициент удельной трещиноватости К_уТ = п_Т/1 — число трещин п_т в интервале длины I по линии, пересекающей под прямым углом трещины преобладающей системы.

в. Показатель качества керна колонкового бурения скважин II_K = n_T/L — число трещин п_т на интервале бурения длиной L. Этот показатель аналогичен предыдущему, но длина интервала бу­рения берется в пределах изучаемой породы, а в число трещин входят любые трещины по углу падения, в том числе и те, которые образовались в процессе бурения. Иногда употребляют показатель удельной кусковатости керна, при расчете которого вместо числа трещин подсчитывают число кусков породы в керне. Для слоистых и сланцеватых пород этот показатель используют для оценки рас­слоения пород. Известна классификация пород по степени их рас­слоения, разработанная в институте ВСЕГИНГЕО по удельной кусковатости керна, замеренной сразу же после его подъема и через 15 дней (табл. 10.1). Такое разделение пород особенно четко прослеживается в коре выветривания осадочных пород на стадии их разгрузки и разуплотнения и имеет большое практическое зна­чение при прогнозе их устойчивости в подземных выработках и при определении глубины заложения наземных ответственных со­оружений. Первые две категории пород следует отнести к трещин­ной зоне выветривания, а все остальные — к обломочной.

Разновидностью П_к является распространенный в зарубежной инженерной практике показатель RQD (Rocks Quality Designation; Deer, 1963) или обозначенный нами

т

Ь₁₀

П_к10 = ~ 100, (10.2)

где 1₁₀ — длина кусков керна размером более 10 см, т — количес­тво этих кусков. Показатель П_к10 использовали для изучения сте­пени выветрелости известняков ордовика, залегающих в кровле юрных выработок на Ленинградском месторождении горючих с танцев и определяющих устойчивость этих подземных соору­жений. Для невыветрелых известняков с тектонической трещи­новатостью, расположенных в центральной части месторождения, П_к]0>75 %. На северо-востоке месторождения известняки под­верглись сложному процессу выветривания, интенсивность кото­рого по геологическим условиям растет от центра к периферии. По комплексу критериев было проведено районирование северо- восточной части месторождения для установления степени устой­чивости известняков в кровле горных выработок, что по сути то же,

что установление степени их выветрелости. Для выделенных трех зон П_к10 составило соответственно 75—50, 50—25 и менее 25 %. По на­блюдениям в подземных выработках величины П_к10 = 75-50 %, по­лученные по данным бурения, соответствуют верхней части тре­щинной зоны выветривания. Остальные две выделенные зоны не подрабатываются из-за неустойчивости выветрелых известняков с П_к10 = 50—25 %, относящихся к подзоне Г обломочной зоны, т. е. к нижнему ее горизонту, и с П_к!д<25 %, относящихся к подзо­не В обломочной зоны (см. рис. 10.3).

К этой же категории показателей трещиноватости и степени выветрелости пород можно отнести и часто употребляемый при керновом бурении скважин, но менее информативный (пригодный только для качественного уровня оценки) так называемый показа­тель выхода керна в процентном выражении. Можно согласиться, что 100%-ный выход керна характеризует твердую породу, но не всегда монолитйую. Такая величина может характеризовать невы- ветрелую породу, а также породу трещинной зоны. Уменьшение процента выхода керна связано с различными дефектами породы, образованными в том числе и за счет выветривания.

г. Показатель трещинной пустотности ТП (следует отличать его от коэффициента трещинной пустотности, описанного в пункте а).

П g

ТП = X —4г ■ 100, (10.3)

! «, + ⁵,

где о, и 8, — среднеарифметические значения расстояний между трещинами и ширина трещин одной системы; п — число систем трещин. Этот показатель суммарной пустотности, которая опреде­ляет в первую очередь водопроницаемость пород. Совместные ис­следования трещинной пустотности непосредственными замерами, откачками и наливами дают возможность установить некоторую связь между величинами ТП, коэффициента фильтрации и удельного водопоглощения q (табл. 10.2).

При решении практических задач оценки и прогноза потерь воды из водохранилищ, каналов, гидротехнических туннелей тре­щинная пустотность определяется эмпирически при фильтрацион­ных работах, однако надо иметь в виду, что большинство пород характеризуется двойной пустотностью за счет трещиноватости и за счет пористости. В зависимости от степени выветрелости раз­ных пород отношение между этими двумя видами проницаемости существенно меняется, поэтому значения коэффициентов фильт­рации и удельного водопоглощения, даже если они определены очень точно, не всегда могут являться показателями трещинной пустотности и в еще меньшей степени показателями трещинова­тости.

Вопрос о неоднозначном соответствии терминов «трещинная пустотность» и «трещиноватость» не случаен. Трещинная пустот- иость оказывает существенное влияние на плотность, проницае­мость, деформируемость и прочность пород, а трещиноватость как нарушение сплошности (монолитности) сказывается практически только на прочности пород, не изменяя существенно их пустот- пость. Говоря о затухании трещиноватости пород с глубиной, имеют в виду не столько уменьшение количества трещин, сколько их смыкание под большим давлением. Не случайно при определе­нии широко применяемого в механике горных пород коэффициен­та структурного ослабления в расчет включается размер блоков, ограниченных трещинами. Обратите внимание на последние два показателя трещиноватости.

д. Блочность трещиноватых пород V₆ или средний объем бло­ков, ограниченных трещинами:

V₆ = a_ra₂a_v (10.4)

где а_х (I = 1—3) — средние расстояния между трещинами трех главных систем, ограничивающих блок. Иногда пользуются объем­

ным коэффициентом трещиноватости К_ч, обратным показателю блочности: K_v = 1/У_б.

Для оценки степени выветрелости пород и расчленения кор вы­ветривания определение блочности имеет большое значение, а для инженерно-геологических оценок этот показатель является основ­ным при решении задач с учетом масштабного эффекта и коэффи­циента структурного ослабления. Нам представляется возможным разделение обломочной зоны на подзоны на конкретных объектах по кривой изменения сцепления от величины блочности. Сцепле­ние С_м в трещиноватом массиве можно определить по известной эмпирической формуле Г. JI. Фисенко как

С_М = С_{Т +} - ^C°~^CV-, (10.5)

1 + a In Я/VVg

где С₀ — сцепление в монолитном блоке; С_т — сцепление по тре­щине (зацепление); Я — мощность сферы влияния сооружения; а — табличный показатель, характеризующий трещиноватость. Зависимость С_м=/(У_б) имеет вид кривой второго порядка (гипер­бола) (рис. 10.6) и может войти в набор критериев расчленения коры выветривания. Так, например, для преобладающего боль­шинства инженерных сооружений мелкообломочную зону вывет­ривания можно рассматривать как однородную квазисыпучую среду с незначительным сцеплением, а точнее зацеплением, которым можно пренебречь в инженерных расчетах. Напомним, что трещи­новатый массив строго можно считать квазиоднородной и квази-

сыпучей средой при отношениях Я/4V$> 10, но многие исследо­ватели считают, что это отношение должно быть на порядок боль-

155

1. Показатель -выветрелости i (%), по А. Хемролу (1961), для изверженных и метаморфических пород

_{i =} h~l±. _{100 (106})

я,

где Я, — масса образца пород, высушенного при 105°; Р₂ — масса гою же образца, насыщенного водой в течение 1.5—2 ч.

2. Показатель стойкости (выветрелости) пород К_с, по П. Н. Па- нюкову (1962):

^к,~^ко

Я Р

где — после обработки в специальном барабане; К₀ = — —

С ^Рб

до обработки (состояние в отобранной пробе): Я_м — масса частиц размером менее 2 мм; Р_б — масса частиц размером больше 2 мм.

Этот показатель принят в качестве ГОСТа, в соответствии с которым породы делятся на следующие категории (см. СНиП 1:02.07—87): ^>0.75 — сильновыветрелые (для осадочных пород >0.67); К_Л < 0.5 — прочные, невыветрелые (для осадочных < 0.33); 0.5 > К_в > 0.75 — слабовыветрелые породы (для осадоч­ных 0.33 >К_В> 0.67).

4. Степень выветрелости осадочных и магматических пород В_с, по Г. С. Золотареву (1969):

B_c = y~j-, (Ю.9)

где F — характерные показатели исследуемых пород: плотность, пористость, сопротивление сжатию, динамический модуль упру­гости, сцепление, содержание гипса или окислов железа и др.; ин­дексы Я, 0 и А обозначают соответственно невыветрелую, иссле­дуемую и предельно выветрелую (горизонт А) породу.

По результатам обобщения данных исследований разных пород по разным F показателям Г. С. Золотарев (1983) рекомендует вы- депять по степени выветрелости четыре категории пород: сильно­выветрелые р В_с > 0.9, выветрелые с В_с = 0.9—0.7, средневыветре- дые с В_с = 0.7—0.3 и слабовыветрелые с В_с < 0.3. Подразумевается,

что материнская, невыветрелая, порода имеет значение В_с = 0, а предельно выветрелая — 1.

5. Средняя скорость-изменения показателей свойств пород в процессе выветривания У_в, по Ю. Д. Матвееву (1970):

других специфических ее черт возможны на базе соответствующей обработки информации, получаемой в результате специальных ис- l (едований и наблюдений. В последние годы возросло количество методов и способов обработки инженерно-геологической инфор­мации, поэтому мы остановимся только на перечне тех из них, которые нашли свое применение при изучении процесса выветри­вания и его последствий (Ярг, 1991). Это:

а) построение усредненных графиков изменчивости физико-ме­ханических свойств пород кор выветривания;

б) проверка наличия тренда в изменчивости свойств выветре- 1ых пород математическими методами (критерий числа «скач­ков», число смен знаков, критерий Спирмена и др.);

в) установление основных причин изменчивости свойств по ко­эффициенту ранговой корреляции Спирмена;

г) расчленение коры выветривания на зоны по комплексу пока­зателей свойств пород методом дискриминатора, по критерию Д А. Радионова, методом взвешивания координат точки разграни­чения Г. К. Бондарика, графическим методом корреляции «накоп- тенных сумм» и др.

ТЕХНОГЕННОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

Излагая материал предыдущих глав, мы старались обращать внимание на огромную роль разнообразной деятельности чело­веческого общества в условиях интенсивного техногенеза. Вывет­ривание, являясь подготовительным процессом для большинства дологических явлений, существенно видоизменяется по своим масштабам, интенсивности и распространению под влиянием че- зовеческой деятельности и тем самым часто закладывает элемент шхногенеза в эти явления еще до начала их возникновения, меняя некоторые известные закономерности их развития.

Термин «техногенное выветривание» является условным и от­носится не только к техногенным факторам процесса, но и к фор­мированию искусственных обнажений — объекта развития вывет­ривания — в строительных котлованах, дорожных выемках, гор­ных выработках, на насыпных сооружениях и т. п. При этом сам процесс выветривания на техногенных обнажениях может разви­ваться под влиянием природных, техногенных и природно-техно- 1 епных факторов в различном сочетании. В связи с этим под тер­мином «техногенное выветривание» мы будем понимать комплекс процессов, развивающихся на искусственных обнажениях горных пород под воздействием природных и техногенных агентов вывет­ривания, в результате которых происходят изменения состава, состояния и свойств горных пород и формируется современный этювий. Главными отличительными чертами техногенного вывет­ривания являются молодость и незаконченность процесса, мало­мощная, усеченная как сверху, так и снизу кора выветривания,

небольшие масштабы обнажений, незакономерное (азональное) распространение, преобладание физического выветривания (за ис­ключением районов химического и биологического загрязнения)

Основные изменения состояния и свойств горных пород заклю­чаются в их разуплотнении, набухании, расслоении, избыточном увлажнении, образовании новых и расширении старых трещин дезинтеграции, растворении и выщелачивании. Выветриванию подвергаются все генетические типы горнкх пород в условиях ес­тественного залегания при строительстве гидротехнических, гор­ных и транспортных сооружений и в нарушенном (раздроблен­ном) состоянии в насыпях различного назначения, отвалах, терри­конах. Классификация искусственных обнажений приведена на рис. 10.8, на котором схематично показано большое разнообразие техногенных объектов как элементов техногенного рельефа с раз­личным геологическим строением.

Техногенные объекты выветривания привлекают внимание по разным причинам. На них лучше, чем на какой бы то ни было мо­дели, можно изучать закономерности процесса выветривания, дей­ствие различных факторов, они позволяют определять показатели важнейших свойств выветрелых пород in situ на опытных телах больших размеров с учетом их структуры и текстуры. По наблюде­ниям на этих объектах можно контролировать условия функциони­рования инженерных сооружений и управлять их взаимодействием с окружающей средой. На техногенных объектах выветривания су­ществует некоторая специфика, которая с позиции инженерно-гео­логического подхода отличает их от природных кор выветривания

Она заключается прежде всего в том, что последствия выветривания, коюрые определяют условия освоения территорий и эксплуатации сооружений, прогнозируются на базе оценки естественного, невы- вс Iрелого массива горных пород с привлечением данных об анало- la’t. В связи с этим проблема организации локального геодинамичес- кого мониторинга на техногенных объектах является неотъемлемой частью деятельности человеческого общества.

Изучение техногенного объекта выветривания начинается с мо­мента формирования искусственного обнажения горных пород строительными работами, под влиянием которых происходит из­менение напряженного состояния в некоторой области, прилегаю­щей к этому обнажению. Покажем это изменение на конкретном примере, используя схему, приведенную на рис. 10.9.

В естественных условиях напряженное состояние горных пород приповерхностной части литосферы определяется их весом и давлением подземных вод. В общем виде для условного элемен- lapnoro кубика его можно выразить следующим образом:

В отсутствие аномальных напряжений, которые имеют место на больших глубинах, максимальным является вертикальное на­пряжение o_z. На некоторой глубине, разной для отдельных разно­видностей пород, р. достигает своего максимального значения 0.5 и тогда говорят о гидростатическом напряженном состоянии, т. е о₁ = а_х = <з_у. Строительство котлованов, каналов, траншей, карь­еров изменяет напряженное состояние пород двумя способами: за счет разгрузки (экскавации горных масс) и дренированием водо­носных горизонтов. За редким исключением напряжения при этом уменьшаются, иногда существенно, так как глубины карьеров, напри­мер, могут достигать нескольких сотен метров. Так, Коркинский угольный карьер имеет глубину более 450 м. В рассматриваемом нами случае (см. рис. 10.9) остаточное напряжение составляет:

ВЫВЕТРИВАНИЕ (РАЗУПЛОТНЕНИЕ) ГЛИНИСТЫХ ПОРОД В ТЕХНОГЕННЫХ ОБНАЖЕНИЯХ

164

ностей юрских глин, отобранных со свежего откоса Лебединского карьера КМА. Необходимо отметить, что если произвести расчет параметров откоса vcryna в толще юрских глин, принимая в качестве расчетных показателей со­противления С и ф, характеризующих сиественную прочность этих пород до вскрытия, а затем проверить устой­чивость этого откоса в набухших гли­нах, то она окажется на 30—50 % мень­ше (по коэффициенту устойчивости).

2. Изменение физического состоя­ния глин на искусственных обнажени­ях в начале процесса выветривания происходит при переменном режиме увлажнения—высыхания, что сущест­венно сказывается на величине набу­хания и на степени разупрочнения 1 пт. По результатам исследований некоторых глин в подобном режиме можно сделать вывод о том, что вели­чина относительного набухания после первого цикла в два раза меньше этой характеристики, полученной после второго цикла. Разные по составу, ге­незису и возрасту глины по-разному реагируют на цикличность режима ув- ыжпения—высыхания. Молодые као- шпитово-гидрослюдистые глины за­канчивают свою реакцию после вто­рого—третьего цикла, более древние непрофильные — после третьего—пя­того.

Изменение влажностного режима увлажнение и высыхание), также как и температурного (промерзание и от­таивание), существенно влияет на фи­зическое состояние глинистых пород в приповерхностных горизонтах от­косных обнажений. Здесь происходит дезинтеграция пород, образование мс 1ких комков и тонких плиток, раз­меры которых зависят от исходного состояния невыветрелых пород, но, как правило, не превышают 2—5 см. Мощность этих раздробленных пород па искусственных откосах не превы-

С>

■*-1

«3

а-

<3

й

s

У

м м/с

Поверхность склона до выемки 1940 г.

шает 20—50 см из-за постоянного осыпания и оплывания сформи­ровавшихся обломков и комков.

Показательны результаты разуплотнения глин неокома в котло­ване, пройденном для заложения фундаментов Саратовской бетон­ной плотины (табл. 10.5).

Оценивая скорость выветривания глинистых пород на искусст­венных обнажениях, некоторые исследователи утверждают, что в речение одного-двух лет в них формируются подзоны выветрива­ния. соответствующие по степени выветрелости подзонам естест­венной коры выветривания, но по мощности они существенно раз- зичаются (Коломенский, Комаров, 1964). В качестве примеров приводятся наблюдения за выветриванием свежих апшеронских, иеокомских и татарских пород Среднего Поволжья, вскрытых гор­ными выработками. На рис. 10.12 мы приводим наглядный разрез двух кор выветривания, сформировавшихся в олигоценовых гли­нах. Одна из них расположена на естественном склоне, а дру­гая — на искусственном откосе выемки, пройденной в 1940 году. Наблюдения проводились спустя 30 лет Г. С. Золотаревым и его сотрудниками (Золотарев, 1983). Анализ приведенного разреза позволяет сделать следующие выводы: а) глинистые породы в ис­кусственных обнажениях довольно быстро приобретают облик пород обломочной и дисперсной зон коры выветривания на естес- I венных склонах; б) период, в течение которого свойства выветре- Iых пород существенно изменяются, соизмеримы с продолжитель­ностью эксплуатации инженерных сооружений; в) мощности тех­ногенной коры выветривания и отдельных ее горизонтов остаются меньшими, чем на естественных обнажениях под влиянием возни­кающих новых процессов (гравитационных, уплотнения); г) грани­цы между зонами и подзонами техногенной коры выветривания находятся в постоянном движении из-за денудации выветрелых масс и продолжительности воздействия различных факторов как техногенных, так и природных.

ВЫВЕТРИВАНИЕ СКАЛЬНЫХ И ПОЛУСКАЛЬНЫХ ПОРОД В ТЕХНОГЕННЫХ ОБНАЖЕНИЯХ

Разуплотнение и выветривание скальных и полускальных пород на- б подается при проходке котлованов для закладки гидротехничес­ких сооружений и на искусственных откосах глубоких карьеров и дорожных выемок (табл. 10.6). В подземных выработках Е. М. Паш­киным (1991) выделена особая группа вывалов, связанных с процес­сами «подземного выветривания» в алевролитах, аргиллитах и не­которых других, легко поддающихся выветриванию породах. Инте­ресно, что эта группа вывалов проявляется через несколько месяцев ноете проходки туннелей, а это означает, что речь идет о начальной стадии физического выветривания, в результате которого происхо­дит «расшатывание» отдельных блоков по существующим трещи-

* По данным С. В. Кагермазовой.

нам. Но, как можно убедиться, даже такое выветривание приводит к явлениям, требующим к себе дополнительного внимания и мате­риальных затрат. Понятно, что продолжительность действия аген­тов выветривания различна — от нескольких месяцев, иногда до двух лет, для строительных котлованов до 20—30 лет для рудных и угольных карьеров и более 50 лет для железнодорожных выемок. В связи с этим развитие процесса на разных обнажениях дает неоди­наковые результаты, но тем не менее они имеют практическое зна­чение при формировании условий освоения территорий и функци­онирования инженерных сооружений.

ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОР ВЫВЕТРИВАНИЯ

Инженерно-геологическое изучение кор выветривания показы­вает, что наиболее характерные свойства выветрелых пород, опре­деляющие специфику их взаимодействия с техногенной средой, такие как водопроницаемость, прочность, деформируемость, можно оценивать и прогнозировать только полевыми методами in situ. Тем не менее проводимые в больших объемах лабораторные псстедования состава и физико-механических свойств выветрелых пород на опытных образцах дают возможность оценить степень выветрелости и на качественном уровне прогнозировать сложнос- 1н изучения и результаты функциональных и динамических взаи­модействий. В специальной литературе имеются примеры исследо­ваний кор выветривания, сформировавшихся в разных породах и к шматических условиях в различные геологические периоды. Приведем наиболее характерные из них.

Глинистые породы Черноморского побережья Кавказа изуча- шсь сотрудниками МГУ под руководством Г. С. Золотарева. Ре- з} 1ьтаты этих исследований приведены в табл. 10.7. Основной обьект детальных исследований — обломочная зона выветрива­ния, как следует из приведенных данных, претерпела наиболее су­щественные изменения по всем показателям состава и физико-ме­ханических свойств глинистых пород, однако важнейшим свойст­вам (водопроницаемости, прочности и деформируемости), по коюрым прогнозируются ожидаемые последствия в результате ра личных воздействий, можно давать только предварительные оценки на качественном уровне.

В скальных и полускальных породах разных генетических 1 иIюв коры выветривания еще более разнообразны. Для мелкозер­нистых светло-серых гранитов Болгарии (17 % кварца и 5 % слюд) JT А. Ярг (1991) приводит данные, характеризующие степень их выветрелости в обломочной зоне (табл. 10.8).

Для гранитов же, но из другого района (плотина Альто Рабагао) оп­ределяли сопротивление сдвигу в стабилометрах и на больших блоках (70 х 70 см) штампами. Для слабовыветрелых пород (г = 3, по Хем- ро iy) сцепление составило 1.34 МПа, а для сильновыветрелых

(I = 8) — только 0.22 МПа. Еще более характерны данные опреде- тения модуля деформации гранитов в зависимости от степени их вы­ветрелости. Так, при i < 1 Е > 10 тыс. МПа, при i = 10 Е =400 МПа, а при ; >25 Е < 120 МПа. Испытания проводились в условиях одно­осного сжатия при / < 10 и в стабилометре при г > 12 (Золотарев, 1983).

Для кор выветривания в осадочных породах (известняках, пес­чаниках, алевролитах, аргиллитах) характерны свои закономер­ности. Для карбонатных пород в районе Ингурской ГЭС из-за ма- тго количества силикатов наблюдается отсутствие дисперсной зоны выветривания. Разрушение этих пород начинается с момента их разгрузки, продолжается в результате физического выветрива­ния (дезинтеграция на блоки разного объема), а затем уже проис­ходят химические изменения. В результате показатели некоторых фпзико-механических свойств в зависимости от степени выветре- юсти изменяются следующим образом. Скорость упругих волн ме­няется от 5500—6000 м/с в блоках естественного состояния до 1500 м/с в нижнем горизонте выветривания и до 2000—1000 м/с в породах на склоне. Модуль деформации при этом снижается от 15—18 тыс. до 0.5—1 тыс. МПа (Золотарев, 1983).

ЗАЩИТНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ОТ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Широкое распространение естественных и искусственных об­нажений горных пород и большое число факторов постоянного действия на них не благоприятствуют масштабному применению

Повышение устойчивости горных пород"тампонажем трещин и карстовых пустот, укреплением методами технической мелиора­ции и т. п.

Ограничение масштабов формирования техногенных обна­жений с обязательной рекультивацией осваиваемых территорий.

Управление процессом перемещения современного элювия на склонах и откосах.