Основы инженерной геодинамики

Инженерная геодинамика изучает: 1) природные эндогенные и экзогенные геологические процессы; 2) инженерно-геологические процессы, вызванные хозяйственной деятельностью человека и взаимодействием инженерных сооружений с геологической средой; 3) горно-геологические явления, возникающие при производстве горных работ и разработке месторождений полезных ископаемых. Геологические процессы и явления являются одним из ведущих факторов, ограничивающих размещение или диктующих требования к строительству сооружений и коммуникаций, их устойчивости, надежности и эксплуатации. Их изучение необходимо для выяснения масштаба, закономерностей развития, проявления последствий, прогнозирования, количественной оценки для разработки мер по обеспечению безопасности инфраструктуры, коммуникаций и собственно жизни людей, а также по охране окружающей среде и рациональному использованию недр.

Метод исследований: 1) непосредственное наблюдение за геологическими процессами и явлениями; 2) реконструкция геологической истории района, связанной с развитием геодинамических процессов; 3) периодические повторные инженерно-геологические съемки геодинамического состояния территории; 4) стационарные маркшейдерские наблюдения с точной инструментальной привязкой динамики геологических процессов (с помощью сети реперов и фиксацией их координат); 5) моделирование геологических процессов в лабораториях и естественных условиях; 6) вероятностно-статистический метод прогнозирования геологических процессов и их корреляцию с другими процессами в геологической истории; 7) расчетно-теоретический метод прогнозирования явлений; 8) использование высокочувствительных регистрационных приборов, фиксирующих различные параметры изменения геологической среды.

Эндогенные природные процессы. Для инженерно-геологических исследований важны тектоника, вулканизм, геотермические. Эти процессы относятся к неуправляемым и неконтролируемым со стороны человека. По отношению к ним человек может только давать вероятностную оценку масштабов и времени проявления процессов, проводить контрольно-измерительные мероприятия и обеспечивать меры безопасности для людей. Например, ограничение или полный запрет на посещение территорий или полетов самолетов (как во время извержения вулкана в Исландии, был введен запрет полетов для половины стран Западной Европы. Составляются карты сейсмического районирования, вулканической активности, организуются системы раннего предупреждения о цунами из-за землетрясений. Разрабатываются конструктивные решения антисейсмического строительства.

С тектоническими процессами связаны вертикальные и горизонтальные колебательные и сдвиговые движения земной коры. Они сопровождаются землетрясениями, появлением трещин, разрывов, дислокаций, раздробления горных пород, обвалов. Эти процессы, как правило, приводят к разрушению зданий и коммуникаций. Происходят длительные медленные поднятия или опускания участков суши. Опускания могут приводить к изменению положения береговой линии и затоплению пониженных участков суши, например, Ленинградская область, Нидерланды и др. Поднятия могут привести к обмелению акваторий портов, ухудшению морского судоходства в прибрежных акваториях, например, Скандинавия. Тектонические явления имеют катастрофический характер, охватывают площади в сотни тысяч квадратных километров, а амплитуды колебаний физической поверхности достигает 20 м и более.

Вулканические извержения достаточно хорошо локализованы и как правило хозяйственная деятельность человека на этих территориях ограничена. Хотя в некоторых районах подножия и даже склоны вулканов используются в целях сельского хозяйства – как пастбища, виноградники и пр. (Чили, Италия и др.). Но чаще всего эти территории имеют рекреационный статус и здесь организованы заповедники или национальные парки (Камчатка, Иелостоунский нац. Парк).

Геотермические явления имеют более широкое проявление. Это могут быть выходы горячих природных вод – гидротермы, не всегда связанные с поствулканической деятельностью, например, в Омской области. В таких местах часто организуются коммунальные структуры – бани, котельные.

Антропогенные процессы эндогенного проявления. К ним относятся сейсмические явления, вызванные взрывами при создании выемок, плотин, водохранилищ, подземных коммуникаций, длительными откачками подземных вод, изменением гидрологического режима участков в ходе строительства, добычей полезных ископаемых.

Экзогенные процессы.

Выветривание – совокупность физических, физико-химических и биохимических процессов разрушения горных пород верхней части земной коры. Оно изменяет состав, структуры, состояние и свойства ГП.

Таблица 1. Факторы и проявления экзогенных процессов

Факторы	Процессы	Проявления
Климатические и биотические	Выветривание	Физическое, химическое, биологическое
Гравитация	Движение без потери контакта со склоном	Оползни, лавины
	Движение с потерей контакта со склоном	Обвалы, осыпи
Поверхностные воды	Воздействие морей, озер и водохранилищ	Абразия вдоль береговой линии; измельчение, перенос и накопление обломков
	Воздействие водотоков	Склоновый смыв, эрозия (овражная, донная и боковая), сели
Подземные воды	Выщелачивание (химическое)	Карст
	Механический вынос, понижение или подъем уровня грунтовых вод	Суффозия, оседание поверхности
	Ослабление связей между частицами грунта	Заболачивание, просадка
Ветер	Дефляция	Развеевание и перенос частиц, эоловое осадконакопление
	Корразия	Обтачивание выступающих частей горных пород
Температурное воздействие на горные породы	Промерзание	Пучение, растрескивание, наледи
	Температурные инверсии относительно 0°С	Курумы, физическое выветривание
	Оттаивание	Термокарст, термоэрозия, термоабразия, взрыв метана, солифлюкция, заболачивание

Выветривание снижает прочность горных пород, увеличивает деформируемость, размываемость, меняются фильтрационные свойства. Выветривание дает основу для эрозии, оползней, обвалов, селей, карста, деятельности ветра и поверхностных вод, оно влияет на устойчивость откосов, бортов карьеров, оснований фундаментов. Выветривание проявляется на обнаженных участках горных пород и проявляется в зависимости от неоднородности пород – минеральной, текстурно-структурной, гранулометрической и воздействия факторов среды – перепадов температуры, воды и растворенных в ней соединений, газов атмосферы и деятельности организмов и человека. В зависимости от преобладающего типа разрушающих факторов выделяют физическое (механическое), химическое и биотическое (органогенное) выветривание.

Физическое выветривание выражается в механическом разрушении горных пород, растрескивании, разделение на отдельные фрагменты, вплоть до отдельных минеральных зерен. При этом существенного изменения минерального и химического состава ГП не происходит. Главный фактор – колебание температур и фазовые переходы воды из твердого состояния в жидкое и наоборот, расширение воды при замерзании на 11% ускоряет процесс разрушения. Наиболее интенсивно выветривание проходит в районах с резко континентальным климатом.

Химическое выветривание сопровождается изменением минерального и химического состава ГП. Главными факторами являются – вода, газы воздуха, органические кислоты. Процесс активно протекает в условиях гумидного климата с преобладающими положительными температурами.

Биотическое выветривание связано с разрушительным воздействием организмов. Оно может быть механическим, например, разбивание, вытаптывание, выгрызание, рытьё, сверление, дробление корнями и пр. А может быть комбинированным с хемогенным, при котором механическое разрушение ГП сопровождается химическим преобразованием минерального состава, добавлением органогенной составляющей (гумуса) и задержанием пылеватых частиц из воздуха. Результатом такого преобразования является формирование почвы.

Результатом выветривания на горизонтальных или слабонаклонных поверхностях являются коры выветривания. В разрезе сверху вниз выделяют три зоны: 1) дисперсная, включает вторичные минералы, глинистые продукты. Легко размывается и оползает. 2) обломочная, включает продукты физической дезинтеграции и частичного химического разложения ГП. В ней активно развиваются процессы эрозии, осыпания и пр. 3) трещинная, строение зависит от степени трещиноватости, наличия тектонических зон и гидрогеологического режима. Для примера, скорость выветривания глинистых ГП – 2-100 см/год, осадочных сцементированных – 5-12 см/год.

При изучении процессов и продуктов выветривания при инженерно-геологических изысканиях решаются следующие задачи: 1) определение строения и закономерностей распространения зон и горизонтов выветривания ГП; 2) оценка скоростей процессов выветривания и сноса продуктов разрушения, а также изменения состояния и свойств ГП во времени; 3) разработка региональных схем расчленения кор выветривания с оценкой физико-механических и фильтрационных свойств ГП; 4) связь оползней, обвалов и других явлений с зонами выветривания; 5) оценка устойчивости выветрелых ГП в откосах; 6) определение глубины съёма выветрелых ГП в основаниях сооружений; 7) выбор методов технической мелиорации для улучшения свойств выветрелых ГП; 8) использование выветрелых ГП в качестве стройматериалов, в земляных сооружениях, противофильтрационных экранах; 9) выбор методов разработки выветрелых ГП в котлованах и карьерах.

Гравитационные склоновые процессы – оползни, обвалы, осыпи. Оползни – скользящие смещения оторванных блоков рыхлых осадочных ГП под действием собственного веса в краевых условиях обнажений, как правило, развиваются на высоких берегах рек, озер, морей. Связаны с деятельностью подмыва рыхлых отложений на уровне водоупорных слоев грунтовыми водами или водами водоемов. Некоторое время оползневое тело может сохранять структуру материнских пород. Меры по ограничению развития оползней и безопасности жизнедеятельности: ограничение строительства, закрепление грунтов травянистой и древесно-кустарниковой растительностью (малоэффективна), запрещение взрывных работ, ограничение скоростей движения транспорта, планировка склонов, возведение удерживающих устройств (набивных свай, стен, банкетов, организация стационарных противооползневых наблюдений, изучение и оценка устойчивости склонов.

Обвалы – отделение больших объемов, подвергшихся выветриванию ГП, включающих крупные обломки, на крутых склонах с последующим обрушением к подножию. Объем перемещенного материала достигает миллионов и миллиардов кубометров. Борьба с обвалами: прогнозирование обвалоопасных склонов, искусственное обрушение неустойчивых частей, цементирование трещин, закрепление склонов железными скрепами, возведение стенок, улавливающих рвов и траншей.

Осыпи – накопления рыхлых материалов, образующиеся при скатывании со склонов обломков ГП разного размера. Могут перемещаться не однократно. Меры предупреждения осыпей: планировка и расчистка склонов, закрепление их подпорными стенками, устройство козырьков, галерей и тоннелей.

Деятельность поверхностных вод включает размывание, русловые процессы, селевые потоки, абразия и сопутствующая аккумуляция. Размыв – это механическое разрушение и снос несвязанных грунтов с дневной поверхности временными водотоками. В результате размывания происходит сглаживание рельефа, возникновение новых форм – промоин, оврагов, накапливаются делювий и пролювий. Формируются каменно-грязевые потоки. Деятельность человека часто стимулирует размыв. Методы борьбы: 1) создание систем водоотводов (дренаж); 2) закрепление склонов дерном и растительностью; 3) возведение инженерных сооружений – стен, барьеров и т.д.; 4) техническая мелиорация грунтов; 5) работы по планировке дневной поверхности; 6) организация специальных противоселевых служб.

Селевые потоки – временные потоки катастрофического характера в горных районах, насыщенные твердым материалом от 50 до 1000 кг/м3. Твердая фаза может превышать 50% объема. Факторы, стимулирующие селеобразование: 1) климат с резким перепадом температур и резкой сменой влагообеспеченности, включая резкое таяние снегов или ливневые дожди; 2) наличие ледников; 3) расчлененный горный рельеф с крутыми склонами; 4) широкое развитие легкоразмываемых горных пород. Выделяют водно-каменные и грязекаменные сели. Высота составляет 10-15 м, катастрофические плейстоценовые могли достигать 50-100 м и более. Скорость движения от 6-8 до 10-12 м/с. Характерна повторяемость образования селей через 2-4 года, а катастрофических через 10-15 лет. Селеопасными районами являются Забайкалье, Камчатка, Средняя Азия, Кавказ, Карпаты; в историческом прошлом Алтай, Саяны. Методы борьбы: запрещение вырубки лесов на склонах, выпаса скота, создания отвалов; строительство специальных гидротехнических сооружений – запруд, направляющих дамб, стен и т.д.; укрепление русел рек и дополнительные лесопосадки; регуляция стока гляциальныз озер.

Русловые процессы – это геологическая деятельность рек. Донная и боковая эрозия, транспорт осадков и аккумуляция. В горных условиях преобладает донная эрозия и перенос материала, происходит расчленение рельефа. В равнинных условиях происходит боковая эрозия, транспорт и аккумуляция осадков, рельеф, как правило, сглаживается. Для защиты берегов производятся укрепительные работы, углубление или изменение русла.

Абразия – производится волноприбойной и отливно-приливной деятельностью морей, океанов и водохранилищ вдоль береговой линии. Происходит разрушение скального обрамления, удлинение по латерали пляжей. Сопровождается оползнями, обвалами, осыпями.

Деятельность подземных вод включает карст, суффозию, плывуны, заболачивание территорий. Карст – это специфические формы подземного и поверхностного рельефа – пещеры, каверны, воронки, борозды, канавы и пр., возникшие в результате растворения горных пород под влиянием подземных и частично поверхностных вод. Наиболее сильно карст развит в карбонатных породах. Противокарстовые мероприятия: 1) регуляция поверхностного и подземного стока с применением противофильтрационных завес; 2) искусственное уплотнение и укрепление ГП; 3) устройство свай глубокого заложения для укрепления оснований фундаментов; 4) уменьшение веса сооружений, ограничение этажности зданий, регулировка плотности застройки территорий.

Суффозия – это механический размыв ГП под действием фильтрации подземных вод. В результате развития суффозии происходит разрушение склонов, деформации оснований фундаментов. Мероприятия: 1) по уменьшению скоростей подземных потоков; 2) устройство дренажных водопонижающих систем; 3) изменение свойств грунтов методами технической мелиорации.

Плывуны – это водонасыщенные тонкодисперсные грунты (песчано-алеврито-глинистого состава), легко переходящие в движение под влиянием нарушений условий залегания или вибрационных нагрузок. Плывуны затапливают котлованы, горные выработки и другие сооружения. Меры борьбы: закрепление грунтов методами технической мелиорации, устройство систем водопонижения, водонепроницаемых перемычек, мерзлотных завес, шпунтовых стен, замораживание самих плывунов.

Заболачивание территорий развивается на пониженных или ровных участках рельефа с избыточным увлажнением, слабым поверхностным стоком и высоким уровнем грунтовых вод. Антропогенная деятельность часто приводит к изменению гидрогеологического режима территорий и заболачиванию. Особенно значительны проявления в черте населенных пунктов, в районах гидротехнических сооружений, интенсивным поливом. Меры по снижению отрицательного влияния болот: 1) осушение с помощью различных дренажных систем; 2) уменьшение площади болот искусственными намывными и насыпными грунтами; 3) отвод вод, питающих болота, и снижение уровня грунтовых вод; 4) предотвращение утечек воды из водопроводов и коллекторов; 5) комплексное применение (параллельно с осушением) методов технической мелиорации для улучшения свойств грунтов; 6) разработка оптимального промышленно-техногенного круговорота воды без вредного воздействия на круговорот воды.

Деятельность ветра включает разрушительную, транспортирующую и аккумуляционную работу. Разрушительная работа состоит из развеивания (дефляция) и обтачивания (корразия).

Дефляция – процесс отрыва и выноса ветром мелких частиц пород. Наибольшее развитие имеет в песчаных пустынях, полупустынях и степях. Метод защиты – создание лесозащитных полос, укрепление растительным и травяно-кустарниковым покровом.

Корразия – обтачивание и сверление выступающих скальных пород инженерных сооружений за счет бомбардировки песчинками при устойчивых воздушных потоков.

Дальность переноса может достигать нескольких тысяч километров.

Аккумуляция приводит к формированию дюнного и барханного рельефа, а также лёссовых полей. Лёссы состоят из алевритовых и пылеватых частиц – 52-86%, глинистые частицы – 11-30%, песчаная фракция от 1 до 30%. Пористость – 40-55%, влажность – 3-10%, высокая просадочность, т.е. способность уплотняться при обводнении и под действием статических и динамических нагрузок, низкая прочность, легкая размываемость. Возведение сооружений на лёссовых грунтах обеспечивается следующими мероприятиями: 1) предварительным уплотнением грунта; 2) защитой грунта от обводненности; 3) использованием специальных типов фундаментов – свайных, до глубины устойчивости грунтов; 4) использование в сооружениях конструкций, малочувствительных к неравномерным просадкам оснований фундаментов.

Мерзлотно-динамические процессы происходят на территориях с отрицательными среднегодовыми температурами. Морозное пучение – процесс увеличения объема грунта за счет расширения воды при замерзании и выделении льда. Процесс протекает активно в тонкодисперсных водонасыщенных грунтах. В результате на поверхности земли образуются бугры пучения высотой от 0,2-0,5 м до 4-8 и даже 30 м. деформируются фундаменты сооружений, дороги, аэродромы и пр. основные методы борьбы: осушение, меры по уменьшению глубины сезонного промерзания.

Наледи – скопления льда на поверхности земли в результате многократно изливающихся речных вод или подземных. Размеры могут быть различными.

Термокарст – протаивание подземных льдов с последующим проседанием дневной поверхности и возникновением депрессий, иногда крупных ям. Причинами являются нарушения температурного режима в приповерхностных горизонтах ГП. Могут вызываться скоплением метана, который при протаивании вырывается в атмосферу. Методов борьбы с термокарстом практически нет. Можно снижать тепловое воздействие, за счет высокого, над поверхностью земли, расположения коммуникаций и зданий.

Солифлюкция – катастрофическое сползание или течение переувлажненного грунта при поверхностном протаивании и низкой испаряемости в районах с отрицательными среднегодовыми температурами. Развивается даже на слабо наклоненных поверхностях. Вода после протаивания просачивается на неоттаившую поверхность подстилающих пород и служит своеобразной смазкой ускоряющей сползание.

Курумы – это «каменные реки» в горных речных долинах и у подножия склонов, сложенные крупными глыбами горных пород (часто магматических). Площадь распространения может быть большой, мощность достигает 15 м. Курумы передвигаются со скоростью до десятков сантиметров в год.

Антропогенные процессы включают: 1) осадки, смещения и деформации скальных и рыхлых ГП под воздействием сооружений; 2) просадки лёссовых пород под влиянием увлажнения и нагрузок от сооружений; 3) оползневые явления; 4) деформации ГП, вызванные изменением гидрогеологических условий (например, откачкой воды из артезианских бассейнов); 5) плывунные явления; 6) деформации массивов ГП под влиянием горного давления (при подземной разработке МПИ); 7) размыв берегов водохранилищ, дамб, отстойников и пр. 8) выветривание под влиянием сооружений и инженерных работ; 9) плоскостной смыв в результате нарушений правил мелиорации сельскохозяйственных земель.