Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие

Далеко не всегда при решении вопроса о возможности строи- тельства или освоения месторождения полезных ископаемых руко- водствуются инженерно-геологической обстановкой. Часто прева- лируют экономические и другие соображения, и в этих случаях

приходится особенно тщательно приспосабливать сооружение к природным условиям и заранее разрабатывать мероприятия, ограж- дающие его от вредного воздействия геологических процессов. При этом особого внимания заслуживают геологические процессы ката- строфического характера, возникающие неожиданно, быстро разви- вающиеся и вызывающие значительные разрушения. В качестве примера таких геологических процессов можно назвать землетрясе- ния, оползни и обвалы, сели и др. Однако было бы ошибкой счи- тать, что геологические процессы, медленно развивающиеся во времени, не имеют практического значения, что ими можно прене- бречь. Например, современные тектонические движения земной коры при разной их интенсивности по поперечному профилю доли-

ны реки могут явиться труднопреодолимым препятствием при строительстве арочных плотин. Выветривание, более активное в свежеобнаженных горных породах, сократит срок длительной устойчивости их в откосах каналов и карьеров, в выемках железных шоссейных дорог, в стенках подземных горных выработок.

Это обстоятельство обязывает при инженерно-геологических изысканиях изучать все геологические процессы, происходящие на исследуемой территории, независимо от того, катастрофический или некатастрофический характер развития они имеют.

Идеальным является случай, когда возводимое инженерное со- оружение так вписывается в природную обстановку, что не наруша- ет сложившееся в ней равновесие. Такие случаи бывают сравни- тельно редко. Чаще строительство здания, канала, карьера, тоннеля и других сооружений или хозяйственное освоение территории (вы- рубка лесов, распахивание целинных земель, орошение в аридных областях и т. п.) порождает возникновение геологических процес- сов, которые раньше отсутствовали на данном участке. Процессы, возникшие в результате деятельности человека, получили название инженерно-геологических (антропогенных) процессов.

Совокупность геологических и инженерно-геологических про- цессов и порождаемых ими явлений характеризует геодинамиче- скую обстановку. Этот термин может быть применен в любой тер-

101

ритории независимо от се размеров: к целому региону, имеющему народнохозяйственное значение, к району строительства крупного сооружения или непосредственно к самой строительной площадке.

Известно, что все геологические процессы изучаются одним из разделов геологической науки – динамической геологией, которая рассматривает геологические процессы, протекающие в природе независимо от человека, и делает это для решения, главным обра- зом, проблем общегеологического характера. Инженерная геология изучает геологические процессы в связи с деятельностью человека,

всвязи с изменением природных условий под влиянием этой дея- тельности с тем, чтобы не допустить возникновение нежелательных для человека геологических процессов, изменить ход существую- щих геологических процессов в необходимом направлении, полу- чить данные, нужные для проектирования различных инженерных мероприятий. Так как изучение геологических процессов проводит- ся в инженерной геологии в связи с деятельностью человека, то са- мо понятие «геодинамическая обстановка» в инженерной геологии приобретает несколько иной смысл, чем в динамической геологии.

Инженерной геологией изучаются как эндогенные, так и экзо- генные процессы. На начальном этапе развития инженерной геоло- гия больше внимания уделялось экзогенным процессам и значи- тельно меньше – эндогенным. Эндогенные процессы привлекают к себе все большее внимание, так как стали ясны три обстоятельства.

Во-первых, эндогенные процессы в значительной степени могут обусловливать инженерно-геологические условия. О масштабах и интенсивности, например, современных эпейрогенических движе- ний можно судить по многим районам мира. В стадии опускания находятся территория Голландии; на протяжении нескольких веков борется голландский народ с наступающим морем. Опускание суши

врайоне Севастополя привело к затоплению древнегреческого го- рода Херсонеса и к образованию Севастопольской бухты. Наоборот, подъем суши в районе Баку составил за последние столетия 16 м.

Всейсмически активных областях оценка сейсмичности террито- рии является важнейшей задачей при определении их инженерно- геологических условий. То же можно сказать и в отношении вулкани- ческой деятельности применимо к районам действующих вулканов.

Во-вторых, эндогенные процессы могут способствовать развитию экзогенных процессов. Например, землетрясения в горных областях

102

часто вызывают обвалы, а эпейрогенические движения, приводящие к поднятию отдельных областей платформ, способствует интенсивному развитию процессов эрозии, образованию оползней, переуглублению речных долин. Именно этим можно объяснить развитие оползней в долине Волги от Ульяновска до Волгограда. Указанная территория испытывала преимущественное поднятие на протяжении всего четвер- тичного периода. Это обстоятельство усугублялось еще там, что пра- вый берег Волги, сложенный мощными толщами глин со слабоводо- носными горизонтами, постоянно испытывал боковую эрозию, что привело к развитию здесь крупных оползней.

В-третьих, эндогенные процессы могут быть вызваны деятельно- стью человека, т. е. среди инженерно-геологических процессов мо- гут быть процессы не только экзогенного характера (хотя они и преобладают), но и процессы эндогенные. В качестве примера ин- женерно-геологических процессов эндогенного характера можно указать на землетрясения, вызванные созданием искусственных во- дохранилищ в сейсмоактивных областях, на смещение массивов горных пород при больших взрывах и т. п.

При оценке геодинамической обстановки отдельных регионов необходимо учитывать климатические условия, широтную и высот- ную зональность района, где протекают геологические процессы.

Для оценки инженерно-геологических условий большое значе- ние имеет изучение не только современных геологических процес- сов, но и древних геологических процессов, создававших палеогео- динамическую обстановку, основные черты которой воплощены в геологическом строении и рельефе той или иной территории.

Так, орогенические движения земной коры приводят к образова- нию складок, к нарушению первоначального залегания слоев гор- ных пород. При ненарушенном залегании пород основание тоннеля будет неоднородным, что, конечно, осложнит производство работ по проходке и креплению. Для того, чтобы принять правильное ре- шение в этих условиях, необходимо знать характер как прошлых, так и современных тектонических движений.

В течение всего кайнозоя в южной части Русской платформы существовала тенденция постепенного отступания морей. С этим связано явление переуглубления речных долин вследствие измене- ния базиса эрозии. Переуглубленные речные долины имеют разно- образно построенное коренное ложе, заполнены сложным комплек-

103

сом древнеаллювиальных, ледниковых, ледниково-речных, озер- ных, эстуариевых и морских отложений, которые представляют со- бой толщу, неблагоприятную для использования в инженерно- геологическом отношении. Понять особенности геологического строения переуглубленных долин нельзя без изучения древних про- цессов эрозии.

Рис. 1. Схема, иллюстрирующая значение условий залегания пластов для строительства: а – ненарушенное; б – нарушенное залегание пород, о–о – плоскость основания наземного сооружения; А – подземное сооружение (тоннель)

Без изучения древних геологических процессов оказывается не-

возможным принять рациональные решения при строительстве тоннелей в горных областях, гидротехнических и других сооруже- ний на территориях древних долин, при застройке речных террас, сложенных просадочными лёссами. Изучение древних геологиче- ских процессов и палеогеодинамической обстановки является важ- ной задачей инженерной геодинамики. Без этого нельзя понять за-

кономерности геологического строения земной коры при ее оценке в инженерных целях.

Исследования в области инженерной геодинамики имеют боль- шое практическое значение, так как позволяют уменьшить ущерб, который наносят геологические процессы народному хозяйству. Однако нельзя думать, что все геологические процессы. Всегда ока-

зываются отрицательно при формировании и освоении человеком геологической среды.

104

Многие геологические процессы противоположны друг другу, например, денудационные и аккумулятивные процессы. Первые, как правило, нарушают целостность массива горных пород, облегчают его разрушение при выветривании, ведут к снижению прочностных и деформационных свойств пород. Вторые, наоборот, способствуют повышению устойчивости массивов горных пород, а в результате «залечивания» трещин и процесса литификации горных пород про- исходит улучшение их прочностных и деформационных свойств.

В настоящее время производственная деятельность человека стала крупнейшей геологической силой и может приводить к воз- никновению геологических процессов различного характера. При этом важно, чтобы вновь возникшие инженерно-геологические процессы не препятствовали рациональному использованию геоло- гической среды.

Под термином инженерно-геологические (антропогенные) про-

цессы и явления понимаются процессы и явления, возникшие в ре-

зультате взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой. Явления, вызываемые инженерной деятельностью человека

– весьма разнообразны. Их классификация может быть построена на различных принципах. Один из них – это учет глубины, на кото- рую действует человек, и сам характер воздействия при различных видах строительства. Инженерно-геологические процессы, так же как и геологические процессы, могут стать опасными и угрожать сохранности сооружений, если они не были своевременно учтены или если их прогноз был дан неправильно.

Региональная инженерная геология

Региональная инженерная геология изучает закономерности формирования и распространения инженерно-геологических усло-

вий. Под инженерно-геологическими условиями территории обыч-

но понимается совокупность геологических факторов, определяю- щих характер инженерно-хозяйственного освоения территории. К ним относятся: геологическое строение (и горные породы), рель- еф, гидрогеологические условия, геологические и инженерно- геологические процессы. Инженерно-геологические процессы воз- никают в результате деятельности человека, и поэтому в настоящее время инженерно-геологические условия формируются не только под влиянием процессов, происходящих в природе, но и в результа-

105

те инженерной и хозяйственной деятельности человека. Сейчас уже можно говорить о взаимосвязи между инженерно-геологическими условиями и деятельностью человека. От инженерно-геологических условий во многом зависит инженерная и хозяйственная деятель- ность человека, а она, в свою очередь, может привести к изменению инженерно-геологических условий. Такая постановка вопроса по- могает лучше понять всю значимость вопросов, которыми занима- ется региональная инженерная геология. Из нее также вытекает, что одной из главных задач инженерной геологии является прогноз из- менения инженерно-геологических условий территории под влия- нием деятельности человека.

Инженерно-геологические условия оказываются одинаковыми на тех территориях, которые имеют одну и ту же или близкую исто- рию геологического развития и находятся в одних и тех же природ- но-климатических зонах. Если сравниваемые территории имеют разную историю геологического развития или расположены в раз- личных природно-климатических зонах, то их инженерно- геологические условия не могут быть одинаковыми, они будут раз- ными. Отсюда следует, что понять современные инженерно- геологические условия можно только при изучении истории геоло- гического развития интересующей нас территории, особенно в но- вейшее время. Региональная инженерная геология при изучении территорий должна опираться на историческую геологию. В част- ности, при анализе истории геологического развития территории необходимо уделять большое внимание вопросам тектоники, палео- гидрогеологии, изменениям, которые происходили в новейшее вре- мя вплоть до голоцена.

В том случае, если на интересующую территорию имеются кар- ты необходимого масштаба – геологическая, гидрогеологическая, геоморфологическая и др., а история геологического развития тер- ритории хорошо изучена, то стоящие перед региональной инженер- ной геологией задачи значительно облегчаются. В этом случае

необходимо объединить имеющиеся сведения общегеологического характера с теми специальными сведениями, которые были получе- ны для данной территории в двух других разделах инженерной гео- логии – в грунтоведении и инженерной геодинамике. Иначе говоря, в этом случае инженерно-геологические особенности и свойства горных пород, развитых на интересующей нас территории, и дей-

106

ствующей на ней геологические процессы должны быть рассмотре- ны в зависимости от геологического строения рельефа, гидрогеоло- гических и ландшафтно-климатических условий. Причем все это рассмотрение должно быть проведено в историческом плане, когда одновременно учитываются тектоника и палеоклимат, процессы денудации и аккумуляции и т. д.

Более сложные задачи возникают перед региональной инженер- ной геологией, когда инженерно-геологическому изучению подле- жат недостаточно изученные территории, для которых отсутствуют геологические и другие карты необходимого масштаба. В этом слу- чае инженерам геологам самим приходится проводить дополни-

тельное геологическое изучение территории наряду с изучением своих специальных вопросов.

Глубина, до которой характеризуется поверхностная часть зем- ной коры при инженерно-геологическом изучении, определяется глубиной проникновения в земную кору человека. В настоящее время увеличивается глубина заложения фундаментов, строитель- ства тоннелей, карьеров при разработке полезных ископаемых, глу- бина шахт и других сооружений и, следовательно, увеличивается глубина региональных инженерно-геологических исследований. Можно сказать, что глубина региональных инженерно- геологических исследований определяется тем, что мы понимаем под геологической средой. При этом, конечно, исходя из того, для решения каких практических задач эти исследования проводятся. Но во всех случаях обязательно надо учитывать перспективу даль- нейшего использования данной территории.

При инженерно-геологическом изучении территории, помимо ранее перечисленных факторов, которые обычно называют регио- нальными, изучают также зональные инженерно-геологические факторы. Под зональными инженерно-геологическими факторами

понимают те закономерности развития геологических процессов и изменений состояния горных пород, залегающих в поверхностной части земной коры, которые связаны с климатом, и в первую оче- редь, с тепло- и влагообменом поверхности изучаемой территории. Этим в основном обусловливается не только состояние пород в со- временной коре выветривания, но и глубина залегания и состав грунтовых вод, их фазовое состояние. Для учета зональных инже- нерно-геологических факторов необходимо знать историю (разви- тия территории в антропогене и ее современное состояние).

107

При инженерно-геологических исследованиях конкретных тер- риторий является обязательные изучение как региональных факто- ров, являющихся ведущими, так как они определяют основные, главные инженерно-геологические особенности территории, кото- рые создаются на протяжении всей истории ее геологического раз- вития, так и зональных факторов.

Факторы, определяющие инженерно-геологические условия территории

Природные факторы, определяющие современные инженерно- геологические условия территории можно разделить на региональ- ные геологические и зональные географические. К региональным геологическим относятся: структурно-тектоническое развитие зем- ной коры и ее современное геологическое строение; формирование и строение поверхностной и приповерхностной части земной коры; подземные воды, современные геологические процессы. К зональ-

ным факторам относятся климат и его влияние на формирование приповерхностной части земной коры, подземных, преимущественно грунтовых вод и на возникновение и режим экзодинамических про- цессов. Кроме того, интенсивное развитие инженерно-хозяйственной деятельности человека на геологическую среду не требует учета ан- тропогенного фактора при ее оценке, в первую очередь, путем анали- за инженерно-геологических процессов и явлений.

В зависимости от конкретной природной обстановки и типа ин- женерных сооружений, каждый из перечисленных факторов может иметь различное значение. Однако на первое место вынесено геоло- гическое строение местности, т. к. от его характера зависят особен- ности рельефа, формирование подземных вод, возникновение эндо- генных и экзогенных геологических процессов.

Таким образом, геологическая среда сформировалась и ее разви-

тие происходило под преобладающим влиянием региональных и зональных факторов и процессов. Результаты воздействия этих

факторов в геологическом прошлом отражены в геологическом строении и характере пород и в различных последствиях влияния геологических процессов (карст, тектоническая нарушенность по- род и др.). Чем более удалено в геологическое прошлое время фор- мирования того или иного элемента геологической среды, тем ме-

нее сохранилось на него зональных географических факторов и их инженерно-геологическое значение.

108

Влияние зональных географических факторов больше сказывается на формировании геологической среды на современном этапе геоло- гического развития земной коры и на современных процессах. Но и

на современном этапе результаты влияния зональных факторов на формирование инженерно-геологических условий в существенной мере определяется характером существующего геологического стро- ения территории и действующих геодинамических процессов. Даже влияние таких резко зональных факторов, как процессы, связанные с мерзлотой, режим грунтовых вод и др. зависят от характера пород, образовавшихся в существующее геологическое время. Региональ- ные факторы в этом случае сохраняют свою роль как доминирую- щие, определяющие совокупность процессов, формирующих совре- менные инженерно-геологические условия местности. К региональ- ным факторам инженерно-геологических условий относятся: рельеф, геоморфология, геологическое строение и гидрогеологические осо- бенности, инженерно-геологические процессы.

Рельеф представляет собой совокупность естественных и искус- ственных неровностей земной поверхности, является одним из ос- новных факторов, обуславливающих распределение вод, раститель- ности и других элементов природной среды. Основные характери- стики рельефа делятся по генетическим, морфометрическим и мор- фографическим типам.

Рельеф отображается на топографических картах различного масштаба в виде горизонталей. Высота сечения горизонталей опре- деляется степенью детальности инженерно-геологических исследо- ваний и соответствующим масштабом топокарт, с учетом преобла-

дающих углов наклона и относительных высот характерных форм рельефа, установлены для каждого масштаба определенного интер- вала сечения горизонталей.

Геоморфологические условия определяют характер перераспре- деления склонового стока атмосферных осадков, степень естествен- ной дренированности территории, условия питания и разгрузки подземных вод (в первую очередь грунтовых). Геоморфологическое изучение территории с ее морфогенетической, графической харак- теристиками является составной частью инженерно-геологических исследований. Геоморфологические карты дают представление о распределении различных по форме, генезису и возрасту элементов рельефа.

109

При изучении инженерно-геологических условий анализируется геологическое строение и состав пород в соответствии с их генези- сом и геохронологическими схемами. В схемах учитывается рас- пространение различных по возрасту магматических, метаморфиче- ских и осадочных образований.

Впервые И. В. Поповым при построении инженерно-

геологических карт было предложено принимать за основу деления пород принцип формационного и литолого-генетического анализа территории. По мнению И. В. Попова, формации в целом как геоло-

гические тела можно понять только на основании геологических исследований, прежде всего, картирования. Закономерности обра- зования и распространения геологических формаций изучали и раз- вили многие геологи: Я. С. Шатский, В. В. Белоусов, Н. М. Страхов, В. Е. Хаин, Л. Б. Рухни, И. П. Херасков, Ю. А. Косыгин и др. Н. С. Шатский понимает под формацией естественную ассоциацию горных пород, отдельные части которой парагенетически связаны друг с другом как в возрастном (переслаивание, последователь- ность), так и в пространственном отношении (фациальные смены).

По В. В. Белоусову, каждая осадочная формация представляет собой комплекс фаций, отвечающий определенной стадии геотек- тонического цикла и определенной геотектонической зоне. И. М. Страхов считает осадочной формацией тип осадочного про- цесса, т. е. способ образования осадков в основных седиментацион- ных зонах земли: полярной, гумидной, аридной, а также в азонально расположенных участках эффузивной деятельности. По мнению В. Е. Хаина, формация – это закономерное и естественное сочета- ние (парагенезис) определенного набора горных пород – осадочных, вулканогенных и интрузивных, образовавшихся на определенных стадиях развития основных структурных зон земной коры. Л. Б. Рухин понимает под формацией генетическую совокупность фаций, выделяющихся среди других особенностями своего состава или строения и устойчиво образующихся на более или менее значи- тельном участке земной поверхности при определенном тектониче- ском и климатическом режиме.

Н. П. Херасков дает определение формациям как естественным ассоциациям горных пород и связанных с ними минеральных обра- зований, отдельные члены которых (породы, слои, толщи и т. д.) в результате парагенетических отношений тесно связаны друг с дру- гом как в пространственном, так и в возрастном отношении.

110