1.2.5. Экзогенные геологические процессы, влияющие на условия строительства и эксплуатации сооружения

Не останавливаясь на эндогенных (глубинных) геологических процессах (тектоника, магматизм, метаморфизм, сейсмическая активность), дадимхарактеристику основным природным геологическим процессам, являющимся результатом геологической работы воды, льда, организмов, ветра, гравитации. Рассмотрим также другие геологические процессы, которые принято называть инженерно-геологическими, так как они связаны в основном с инженерной деятельностью человека (просадочные явления под зданиями и сооружениями, сдвижение горных пород над подземными выработками и др.). Инженерная геология изучает все геологические процессы (эрозию, абразию, оползни, карст, обвалы и т.д.), оказывающие то или иное влияние на инженерные сооружения (на выбор конструкции и места расположения сооружения, выбор способов производства работ и т.д.), и влияние этих сооружений на существующую природную геологическую обстановку.

Процесс выветривания — разрушение и изменение состава горных пород, происходящие под воздействием различных агентов, действующих на поверхности земли, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание вод, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов и т.д.Процесс выветривания воздействует не только на природные тела (минералы, горные породы), а также и на искусственно созданные строительные материалы и сооружения. Главная особенность процесса выветривания — постепенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав, вследствие чего ухудшаются их строительные свойства или они полностью разрушаются. Интенсивность проявления выветривания зависит от многих причин — «мощи» агентов выветривания, состава пород, геологического строения местности и т.д. Наиболее сильно выветривание проявляется у поверхности земли, куда облегчен доступ агентам выветривания. Глубина проникновения агентов выветривания в толщу земли зависит от степени трещиноватости пород, раскрытия и глубины трещин. Наиболее глубоко они проникают при наличии тектонических трещин и разломов. По интенсивности воздействия тех или иных агентов выветривания и характеру изменений горных пород принято выделять три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое (органическое).

Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра и ударов песчинок, переносимых ветром, кристаллизации солей в капиллярах и давления, которое возникает в процессе роста корней растений, и т.д.

Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты.В породах кроме растворения протекают реакции обмена, замещения, окисления, гидратации и дегидратации.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений. Породы дробятся и в значительной мере подвергаются воздействию органических кислот.

Геологическая деятельность ветра. На земной поверхности постоянно дуют ветры разной скорости, силы и направления. Нередко они носят ураганный характер. Известны случаи, когда ураганные ветры достигали скорости свыше 60–70 м/с. Чтобы представить себе последствия таких ураганов, достаточно сказать, чтопри 16–18 м/с ветер может сорвать кирпичи с дымовых труб, черепицу с крыш, а при 19–21 м/с вырвать с корнями деревья.Ветер совершает большую геологическую работу: разрушение земной поверхности (выдувание, или дефляция; обтачивание, или корразия), перенос продуктов разрушения и отложения (аккумуляции) этих продуктов в виде скоплений различной формы.

19

Все эти процессы носят общее название эоловых отложений (vQ). Наиболее ярко они проявляются в пределах пустынь, полупустынь, долин рек и морских побережий. В наши дни наглядное представление об этих процессах дают пыльные бури в степных районах.Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Наиболее ярко этот процесс проявляется в районах, сложенных рыхлыми или мягкими породами. От пород отрываются и уносятся частицы. Ветер выдувает котловины, борозды и траншеи в солончаках, суглинках, песках. Котловины выдувания могут иметь значительные размеры, например длину до 140 км, ширину от 2 до 10 км, глубину 100–150 м. Выдувание значительно усиливается после нарушения дернового покрова, вырубки кустарников и деревьев.

Геологическая деятельность атмосферных осадков. Наибольшую геологическую работу совершает текучая вода, которая, растекаясь по поверхности в сторону падения рельефа, разрушает горные породы, переносит и откладывает продукты разрушения. Разрушительная работа текучих вод носит название эрозии.

После дождя (или таяния снега) вода растекается по поверхности земли в виде многочисленных микроструек, каждая из которых неимеет фиксированного пути. Образуется сплошной поверхностный поток, и разрушительное действие воды осуществляется на всей поверхности земли. Так происходит плоскостной смыв (плоскостная эрозия), ведущий к постепенному выполаживанию местности.

Плоскостные потоки губительно сказываются на почвах, смывая их верхний плодородный слой. Одним из способов борьбы с почвенной эрозией являются лесополосы, регулирующие поверхностный сток. Со временем на склонах и в пониженных частях рельефа накапливаются отложения наносов: на склонах и у их подошвы — делювий, в понижениях, примыкающих к склонам, — пролювий. Эти наносы почти сплошным покровом закрывают лежащие под ними более древние (коренные) породы.

Делювий (dQ) покрывает все склоны и их подошвы, за исключениемобрывистых участков. По своему составу делювий разнообразен и в противоположность элювию (eQ) отличается от подстилающих его коренных пород.

Пролювий (pQ) представляет собой рыхлые образования неоднородного состава, особенно по вертикали. В толщах пролювия суглинки и супеси могут переслаиваться с более крупнозернистым материалом (песок и др.) [6]. В степных и предгорных районах суглинки и супеси по своим характерным признакам похожи на лессовые отложения.

Пролювий в виде отложений конусов выноса горных рек в больших количествах накапливается у подножья гор, частично содержит делювиальный материал. Конусы выноса пролювия нередко сливаются и образуют единую полосу наносов, окаймляющую подошву гор (предгорные шлейфы). Значительное количество пролювия образуется за счет временных грязекаменных потоков (селей).

Образование оврагов. При таянии снега и дождя на склонах рельефа отдельные струйки образуют временные ручьи. Возникает струйчатая эрозия, приводящая к образованию вытянутых понижений рельефа — оврагов.

Наиболее интенсивно возникают овраги в условиях расчлененного рельефа и сухого климата, при котором атмосферные осадки выпадают редко, но в виде коротких и сильных ливней. Развитию оврагов способствует отсутствие растительного покрова и наличие пород, способных к размыву. Наиболее легко размываются лессовые породы, поэтому в районах их распространения овраги имеют широкое развитие.

Селевые потоки.Сель (или силь)— по-арабски означает«горный, быстро несущийся поток». Действительно, сели представляют собой временные, но бурные грязекаменные потоки, возникающие в горных районах.

20

Сели вызываются дождевыми ливнями или быстрым таянием снегов и ледников в горах. Огромная масса воды устремляется вниз по ущельям, смывая и захватывая по дороге элювий и делювий. В результате водный поток превращается в грязекаменный. Значительное разрушительное воздействие селевых потоков обусловлено большими скоростями движения и наличием в них обломков горных пород. На своем пути сели часто прокладывают глубокие русла, которые в обычное время бывают сухими или содержат небольшие ручьи. Твердый материал селей откладывается в предгорьях. Полезные площади оказываются погребенными под толщей грязи, песка и камней.

Снежные лавины — обрушение больших масс снега с крутых склонов гор. На высоких горных хребтах постоянно накапливается снег, образуя нависающие над склонами большие карнизы. Под действием собственной тяжести масса снега находится в неустойчивом состоянии. В определенный момент от перегрузки, порыва ветра и даже от звукового колебания воздуха огромная масса снега приходит в движение и обрушивается вниз по склону. Лавины образуются при достаточном снегонакоплении на безлесных склонах крутизной 15° и более; при уклонах

более 50° снег ссыпается и лавины не образуются.

Геологическая деятельность рек. Подземные воды и временные ручьи атмосферных осадков, стекая по оврагам и балкам, собираются в постоянные водотоки — реки. Площадь, с которой к реке стекает вода, называют бассейном реки. Полноводные реки совершают большую геологическую работу— разрушение горных пород (эрозия), перенос и отложение (аккумуляция) продуктов разрушения.

Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Кроме того, речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются

иразрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на горные породы растворяющее действие.

Размер обломков, которые может переносить водный поток, пропорционален шестой степени скорости его течения, которая, в свою очередь, пропорциональна продольному уклону русла. Поэтому быстрые горные реки способны перемещать валуны диаметром в несколько метров. При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения назывют аллювиальными (aQ). Состав аллювиальных отложений отражает скорость речного потока. Скорость потоков в течение года, ряда лет, а также в зависимости от стадий развития реки различна. Это приводит к накоплению в одной и той же части долины аллювиальных осадков различного cостава и крупности, к литологической пестроте аллювиальных толщ. В состав аллювия входят глыбы, валуны, галечник, гравий, пески, суглинки, глины, илы, органический материал. По характеру осадков и месту их накопления речные отложения разделяют на дельтовые, русловые, пойменные и старичные.

Геологическая деятельность моря. Море — это одна из главных геологических сил, преобразующих облик Земли. Площадь морей и океанов в 2,4 раза больше площади суши. В морских бассейнах, как обычно именуют моря и океаны, протекают сложные процессы энергичного разрушения, перемещения продуктов разрушения, отложения осадков и формирования из них различных осадочных горных пород.

Эти процессы наиболее интенсивно проявляются в прибрежной мелководной зоне (0– 200 м) — зоне шельфа, которая окаймляет сушу полосой различной ширины и представляет собой подводное продолжение континентов. Площадь шельфасоставляет 7,6 % площади морей

иокеанов. На глубине от 200 до 2000 м располагается материковый склон, от 2000 до 6000 м— океаническое ложе и более 6000 м— глубоководные впадины. На глубине свыше 200 м волнения, происходящие на поверхности воды, не сказываются на донных отложениях.

Геологическая деятельность озер, водохранилищ, болот. Озера — замкнутые углуб-

ления на поверхности земли, заполненные водой и не имеющие непосредственной связи с морем.

21

Озера занимают 2 % поверхности суши. Берега многих озер, особенно крупных, довольно плотно заселены и широко используются для промышленного и гражданского строительства.

Озера имеют различное происхождение. Среди них различают:тектонические— во впадинах тектонического происхождения (озера Байкал, Ладожское, Онежское);эрозионные — в котловинах размыва; карстовые — в заполненных водой карстовых воронках; плотинные, или запрудные, образовавшиеся запруживанием рек в результате обвалов.

Озера подобно морям совершают геологическую работу разрушительного и созидательного характера, только в неизмеримо меньших масштабах.Разрушительная работа озер проявляется в абразионной деятельности волн, нагоняемых ветром. Так создаются озерные абразионные террасы, выработанные в коренных берегах, и аккумулятивные, сложенные озерными осадками.

Водохранилища. В настоящее время человек широко использует энергию рек для электрификации. В результате создаются искусственные водохранилища по размерам, не уступающим самым крупным озерам.

В водохранилищах так же, как в морях и озерах, наблюдается абразионная работа вод, но здесь она происходит более интенсивно. Это объясняется тем, что речные долины, в которых создают водохранилища, образовались в континентальных условиях под действием эрозии рек и их профиль не соответствует новым условиям, которые возникают при заполнении почти всей долины водой. Водохранилища стремятся выработать новый профиль.

Болота — избыточно увлажненные участки земной поверхности с развитой на них специфической растительностью. Болота более свойственны берегам рек,старицам, побережьям озер, вечной мерзлоте.

По происхождению, т.е. по условиям питания водой, болота подразделяют на низинные, верховые и переходные. Низинные болота питаются грунтовой, частично речной или озерной водой, а также дождевыми и талыми водами.Для верховых болот основным поставщиком воды являются атмосферные осадки и талые воды. Болота переходного типа имеют смешанное питание. В соответствии с условиями питания водой низинные болота образуются в результате заторфовывания водоемов, а верховые болота — заболачивания суши.

Геологическая деятельность ледников. В настоящее время льды занимают 10 % по-

верхности суши, 98,5 % ледниковой поверхности приходится на полярные области и лишь 1,5 % — на высокие горы. Различаюттри типа ледников: горные, плоскогорий и материковые. Горные ледники образуются высоко в горах и располагаются либо на вершинах, либо в ущельях, впадинах, различных углублениях.

Лед образуется за счет перекристаллизации снега. Он обладает способностью к пластическому течению, образуя потоки в форме языков. Движение ледников вниз по склонам ограничивается высотой, где солнечного тепла оказывается достаточно для полного таяния льда.

Склоновые процессы. Горные породы, слагающие склоны, очень часто находятся в неустойчивом положении. При определенных условиях и под влиянием гравитации они начинают смещаться вниз по наклону рельефа. В результате этого возникают осыпи, курумы, обвалы и оползни.

Осыпи. На крутых склонах, особенно в горных районах, где развиты скальные породы, активно действует процесс физического выветривания. Породы растрескиваются, и обломки скатываются вниз по склонам до места, где склон выполаживается. Этот процесс называется осыпанием. Так, у подножья склонов накапливаются продукты осыпания: глыбы, щебень, более мелкие обломки и образуются валы — осыпи. Мощность осыпей различна и колеблется от нескольких до десятков метров. В состав осыпей входят обломки тех горных пород, которые слагают склоны, так как породы зачастую определяет крупность обломков осыпи. Массивные кристаллические породы дают крупнообломочные (глыбовые) осыпи. Менее прочные породы образуют среднеобломочные (щебеночные) и мелкообломочные (дресвяные) осыпи.

22

Курумы. В результате разрушения скальных пород у подошвы склонов скапливаются крупные обломки и глыбы. По своему местоположению обломки более всего тяготеют к пологим склонам, что свойственно ложбинам и днищам долин. Так образуются каменные россыпи, или курумы, объединяясь в единую массу глыб от вершины до подошвы склона. Мощность каменных россыпей колеблется от нескольких метров до 15 м на дне долин. Характерной особенностью курумов является передвижение. Масса обломков, огромных глыб постоянно ползет вниз по склону, так как глыбы лежат на глинисто-суглинистом слое. Когда курум движется по ложбинам, его называют каменным потоком. Скорость курумов различна — от сантиметров до десятков сантиметров в год.

Обвалы. Обрушение более или менее крупных масс горных пород с опрокидыванием и дроблением получило название обвала. Обвалы возникают на крутых склонах (более 45–50°) и обрывах естественных форм и рельефа (склоны речных долин, ущелья, побережья морей и т.д.), а также в строительных котлованах, траншеях, карьерах. При крупных обвалах, как это бывает в горах, масса обломков устремляется вниз по склону, дробясь на более мелкие и увлекая за собой попутный рыхлый материал. Наиболее часто обвалы бывают связаны с трещиноватостью пород, подмывом или подрезкой склонов, избыточным увлажнением пород, перегрузками обрывов, землетрясениями. Обвалы могут возникать вследствие глубокого растрескивания пород после неправильно выполненных взрывных работ, неудачного заложения выработок относительно напластования и направления трещиноватости.

Оползни — это скользящее смещение горных пород на склонах под действием гравитации

ипри участии поверхностных или подземных вод. Оползни — явление частое и свойственное склонам долин, оврагов, балок, берегам морей, искусственным выемкам. Они разрушают здания

исооружения на самих склонах и ниже их.

Большое влияние на развитие оползневых процессов оказывает геологическое строение и литологический состав пород склона. Типичными оползневыми породами следует считать различные глинистые образования, для которых характерно свойство ползучести. Такой процесс, например, происходит на склонах лессовых толщ. Подавляющее большинство оползней приурочено к выходам подземных вод.Для того чтобы склон стал неустойчивым и земляные массы начали сползать, необходимо дополнительное воздействие.

Основными причинами оползней следует считать три группы процессов: 1) процессы, изменяющие внешнюю форму и высоту склона (колебания базиса эрозии рек, оврагов; разрушающая работа волн и текучих вод; подрезка склона искусственными выемками); 2) процессы, ведущие к изменению структур и ухудшению физико-механических свойств, слагающих склон пород за счет процессов выветривания, увлажнения подземными, дождевыми, талыми и хозяйственными водами, за счет выщелачивания водорастворимых солей и выноса частиц текучей водой с образованием в породе пустот (суффозия); 3) процессы, создающие дополнительное давление на породы, слагающие склон: гидродинамическое давление при фильтрации воды в сторону склона; гидростатическое давление воды в трещинах и порах породы; искусственные статические и динамические нагрузки на склон; сейсмические явления.

Суффозионные процессы. При фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц, а не его последствия, называют суффозией.

Различают два вида суффозии— механическую и химическую. Примеханической суффозии фильтрующаяся вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые, пылеватые, песчаные). При химической суффозии вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения. Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины некоторой критической скорости воды.

23

Суффозия наиболее свойственна гранулометрически неоднородным породам. Процесс механической суффозии в разнозернистом песке происходит следующим образом. Песок состоит из частиц различного размера — больших и малых. Большие частицы создают структурный каркас породы. Поры достаточно велики, и через них под действием фильтрующейся воды свободно проходят мелкие частицы (глинистые, пылеватые).

Как механическая, так и химическая суффозия активно проявляется вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий — формировании воронок депрессии, колебаниях уровня подземных и поверхностных вод, откачках, дренировании. Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод или сбросе лишних вод, в местах выхода на поверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях. Основой всех мероприятий по борьбе с суффозией является прекращение фильтрации воды: регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; перекрытием места выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка; устройством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цементации, глинизации; применением особых видов фундаментов, например свайных.

Карстовые процессы — это процессы растворения и выщелачивания водорастворимых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами и образования в них различных пустот.

Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и степенью ее минерализации, геологическим строением участка, рельефом местности, трещиноватостью пород, характером растительности, климатом.

Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы с ангидридами и известняки. Для растворения одной части каменной соли (галита) достаточно трех частей воды, а для гипса нужно уже 480 частей воды. Труднее всего растворяются известняки. В зависимости от содержания в воде карбонатов и от температуры для растворения одной части минерала кальцита, из которого обычно слагаются известняки, требуется от 1000 до 30 000 частей воды. Аналогичным образом растворяются доломит и магнезит.

Влияние растительности на развитие карста двоякое. С одной стороны, лесная подстилка и гумус обогащают воду свободнойуглекислотой и усиливают ее растворяющую деятельность, с другой стороны, глинистый элювий, формирующийся на покрытых растительностью территориях, уменьшает инфильтрацию и размывающую силу поверхностных вод. Уничтожение леса и дернового покрова всегда способствует развитию поверхностных карстовых форм. По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и покрытый. При открытом типе карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности земли, а при покрытом они перекрываются слоями нерастворимых водопроницаемых пород и лежат на некоторой глубине. Из многочисленных форм карста наиболее часто встречаются: на поверхности земли — карры, воронки, провалы, полья и др.; в глубине карстующейся толщи — каверны, пустоты, тоннели, пещеры и др.

Плывунные явления. Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, обычно пески, которые при вскрытии различными горными выработками разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости. Плывунные свойства, кроме песков, при определенных условиях могут проявлять пылеватые суглинки, супеси, т.е. породы, обладающие значительной пористостью. Основной причиной проявления у пород плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которое создается в результате перепада (градиента) давления грунтовых вод при вскрытии котлована.

24