При изучении геологических процессов первоочередное вни­

мание следует уделять причинам их возникновения, развитию во

времени, скорости этого развития, количественной оценке харак­ теристик и последствий, выбору мероприятий, устраняющих их негативное влияние на строительство и надежную работу зданий и сооружений.

r л а в а 20

ПРОЦЕСС ВЫВЕТРИВАНИЯ

Под процессом выветривания понимают разрушение и изме­

нение состава горных пород и строительных материалов, проис­

ходящие под воздействием различных агентов, действующих на

поверхности земли, среди которых основную роль играют коле­

бания температур, замерзание воды, кислот, щелочей, углекисло­ ты, действие ветра, организмов и т. д.

Главной особенностью процесса выветривания является посте­ пенное и постоянное разрушение верхних слоев литосферы. В

результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав, вследствие чего снижаются па­ раметры их строительных свойств или они полностью разрушаются.

Интенсивность проявления выветривания зависит от многих

причинактивности агентов выветривания, состава пород, гео­

логического строения местности и т. д. Наиболее сильно вывет­

ривание проявляется у поверхности земли, куда облегчен доступ

агентам выветривания. Глубина проникновения в толщу земли

агентов выветривания зависит от степени трещиноватости пород,

раскрытия и глубины трещин. Наиболее глубоко они проникают

при наличии тектонических трещин и разломов. Область актив­

ного современного выветривания достигает глубины 5-10 м. Проникновению агентов выветривания способствует инженерная деятельность человека (проходка тоннелей, шахт и т. д.).

335

ко неодинакова. По иiПенсивности воздействия тех или иных

агентов выветривания и характеру изменений горных пород при­

нято вьщелять три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое (органическое).

Физическое выветривание выражается преимущественно в меха­

ническом дроблении пород без существенного изменения их ми­ нерального состава. Породы дробятся в результате колебания тем­

ператур, замерзания воды, механической силы ветра и ударов песчинок, переносимых ветром, кристаллизации солей в капилля­ рах, давления, которые возникают в процессе роста корней расте­ ний, и т. Д.

Большую роль в этом разрушении играют температурные яв­ ления. В условиях земной поверхности, особенно в пустынях, су­

точные колебания температур довольно значительны. Так, летом в дневное время породы нагреваются до +80 ·с, а ночью их тем­ пература снижается до +20 ·с. Кроме попеременного нагревания

и охлаждения разрушительное действие оказывает также неравно­

мерное нагревание пород, что связано с различными тепловыми

свойствами, окраской и размером минералов, которые составля­

ют горные породы. На контактах отдельных минералов образуют­

ся микротрещины и порода постепенно распадается на отдель­

ные блоки и обломки различной формы.

Особенно подвержены температурному выветриванию крупно­

зернистые полиминеральные породы. Это объясняется тем, что

минералы имеют различные коэффициенты линейного и объем­

ного расширения и при нагревании на контактах между зернами

создаются большие напряжения различной направленности, ко­

торые приводят к разрушению менее прочных минералов. При

колебаниях температур в этих породах происходит разрушение

кристаллизационных связей между зернами.

Разрушение пород еще более усиливается, если в их микро­

трещины проникает вода, которая при замерзании увеличивается

в объеме на 9-11 % и развивает значительное боковое давление; трещины расширяются и утлубляются. Это явление носит назва­

ние морозного выветривания.

Многие породы разрушаются при переменнам намокании и вы­

сушивании. Примерам могут служить мергели-трескуны из района

Новороссийска. Эти мергели на поверхности земли быстро пре­

вращаются из массивной породы в скопление мелких обломков. Значительное разрушительное действие оказывает ветер своей механической силой и ударным действием песчинок и более

крупных обломков.

Физическое выветривание воздействует и на искусственные строительные материалы. Особенно интенсивно выветриваются

наружные части зданий и сооружений.

337

Физическое выветривание преобладает в местностях с сухим резко континентальным (пустыни) или холодным климатом (гор­

ные районы, арктический пояс). Типичным примерам являются пустыни и северные территории нашей страны (см. рис. 73, а).

Химическое выветривание выражается в разрушении горных

пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее ак­

тивными химическими реагентами в этом процессе являются во­

да, кислород, углекислота и органические кислоты.

В породах кроме растворения протекают реакции обмена, за­ мещения, окисления; гидратация и дегидратация. Одновременно

с разрушением первичных минералов, например полевых шпатов,

в граните образуются новые, вторичные минералы. Так образуют­ ся многие растворимые (хлориды, карбонаты, сульфаты) и нерас­

творимые минералы типа глинистых образований (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.).

Простейшим видом химического выветривания является рас­

творение в воде. Легко растворяются каменная соль, гипс. Разру­

шительное действие оказывает процесс гидратации. Примерам мо­

жет служить переход ангидрита в гипс CaS04 + 2Н20 = = CaS04 · 2Н20. Этот процесс сопровождается резким увеличением

объема (до 50-60 %), что вызывает разрушительное давление гип­

са на окружающие породы. В присутствии воды происходит также окисление. Например, минерал пирит, который часто присутствует

в различных породах, превращается в гидрат оксида железа с од­

новременным образованием серной кислоты, которая, в свою оче­

редь, весьма разрушительно действует на многие минералы:

6FeS04 + 30 + 3Н30 = 2Fe(S04) 3 + 2 Fe(OH)3

При химическом выветривании значительное воздействие на

породы оказывает вода, содержащая в своем составе углекислоту.

В результате этого полевые шпаты превращаются во вторичные образования глинистого состава:

K(A1Si30 8) + СО2 + nH20 ~

полевой шпат

~ ~[(S40Io](OH)s + К2СО3 + 4Si02 · nH20

каолинит

Интенсивность химического выветривания зависит от площа­

ди воздействия воды и растворов, их температуры, а также сте­ пени устойчивости минералов в отношении агентов выветрива-

338

Растения и животные, особенно микроорганизмы (бактерии,

микробы и др.) и низшие растения (водоросли, мхи, лишайни­ ки), выделяют различные кислоты и соли, которые, в свою оче­

редь, весьма активно взаимодействуют с минералами горных по­

род, разрушают их, формируют минеральные новообразования.

Действие биологического выветривания повсеместно. Ему при­

надлежит ведутая роль в образовании почв.

Процессы выветривания влияют на инженерно-геологические свойства горных пород. Выветривание как геологический процесс приводит к разрушению и преобразованию первичных пород. С

инженерно-геологической точки зрения основная направленность

процесса выветривания состоит в изменении физического состоя­ ния и физико-механических свойств горных пород, что приводит

к снижению устойчивости пород в основании сооружений, естест­

венных и искусственных откосах, подземных выработках и т. д.

Физико-механические свойства коры выветривания зависят от степени выветрелости исходной породы, ее петрографо-минера­ льного состава и структуры. Глубинные магматические породы,

разрушаясь на поверхности земли, быстро теряют свою проч­

ность и превращаются в так называемые рухляки, обладающие

меньшей несущей способностью и большей деформативностью

по сравнению даже с трещиноватой скалой. Рухляки кислых и

средних магматических пород состоят в основном из кварца, од­

ного из самых устойчивых минералов к процессам выветривания;

рухляки основных и ультраосновных пород сложены из полевых

шпатов-неустойчивых минералов, в коре выветривания превра­

щающихся в глинистые продукты. Механические свойства этих

рухляков ниже, чем рухляков кислых и средних пород.

При дальнейшем разрушении магматических пород образуют­ ся крупнообломочные элювиальные грунты, прочность и сжимае­ мость которых зависит от заполнителя и механической прочнос­ ти самих обломков, т. е. от степени их выветрелости.

Крупнообломочные грунты элювия кислых пород, имея в ка­

честве заполнителя песок, состоящий в основном из кварца и

прочных обломков, обладают большей механической прочностью,

чем подобные грунты коры выветривания основных и ультраос­

новных пород.

Характерной особенностью элювиальных глин является набу­ хание, представляюшее собой увеличение объема породы при увлажнении, и усадка - уменьшение объема при высыхании. Эти

процессы значительно ухудшают условия эксrшуатации зданий и сооружений.

340

Элювий метаморфических пород по своим физико-механиче­

ским показателям близок к коре выветривания основных и ульт­

раосновных магматических пород.

Кора выветривания осадочных пород отличается своим свое­ образием. Наибольшему разрушению подвергаются осадочные породы, образовавшиеся в условиях, отличных от тех, в которых действуют факторы выветривания. Породы химического и орга­

ногенного происхождения большей частью полностью растворя­

ются в воде или быстро дробятся до частиц песчаных и глини­ стых размеров. В сцементированных породах в первую очередь

разрушается природный цемент, песчаник снова превращается в песок, конгломерат - в гальку и гравий с песчаным или глини­

стым заполнителем (в зависимости от цемента).

Особый интерес представляет поведение глин в зоне выветривания. При выветривании глинистых пород происходит:

•раскрытие существующих и образование новых трещин;

•разрыхление, сопровождающееся возрастанием пористости;

•появление новых минералов.

Эти процессы резко ухудшают физико-механические свойства

глинистых пород, у них снижается сопротивление сдвигу и повы­

шается сжимаемость.

Степень выветрелости пород и строительных материалов оце­

нивается коэффициентом выветрелости kw - отношением плотно­

сти выветрелой к плотности невыветрелай породы (материала).

Если kw = 1 - порода выветрелая, при kw = 1...0,9- слабовыветре­ лая, 0,9...0,8- выветрелая и kw < 0,8 -сильно вьmетрелая (рухляки).

В связи с вышесказанным видно, что процессы выветрива­

ния могут настолько изменить свойства пород и инженерно-гео­

логические условия строительной площадки, что строить здания

и сооружения без специальных мероприятий не представляется

возможным.

Борьба с процессом выветривания. При выборе основания для

зданий и сооружений кору выветривания прорезают фундамен­ том до невыветрелай породы, либо используют ее как несущее

основание, если элювий имеет достаточную прочность или

укреплен после соответствующей обработки способами техничес­ кой мелиорации. Крутизну откосов выемок назначают с учетом

прочности пород коры выветривания.

Процесс выветривания необходимо учитывать также на пери­

од эксплуатации зданий и сооружений. Порода и строительные

материалы, не защищенные от агентов выветривания, постепенно

будут разрушаться, снижая устойчивость и прочность зданий и

сооружений.

341

Для предотвращения выветривания или улучшения свойств

уже выветрел:ых пород применяют различные мероприятия:

• покрытие горных пород непроницаемыми для агентов вывет-

ривания материалами;

•пропИТЬiвание пород различными веществами;

•нейтрализаuию агентов выветривания;

•планировку территорий и отвод вод.

Выбор мероприятий по борьбе с выветриванием зависит от

стеnени выветрелости пород, характера выветрелости, конструк­

тивных особенностей сооружения и т. д.

Создание защитных покрытий на поверхности горных пород с

помощью различных материалов - rудрона, бетона, цементного раствора, глины - зависит от преобладающих факторов выветри­

вания.

Например, rудрон, цемент, геосинтетики и другие искусствен­

ные покрытия предохраняют породы от проникновения воды, но

не защищают от влияния колебания температур. Хорошим изо­ лирующим материалом является глина. Уложенная слоем, мощ­

ность которого равна глубине проникновения суточных колеба­

ний температур, она становится хорошим водонепроницаемым

покрытием, а сама мало изменяется под воздействием выветрива­

ния. Широко применяют гидроизоляцию котлованов, если они

должны находиться в открытом состоянии какое-то время. В ря­

де случаев дно котлованов специально не доводят до проектной

отметки. Выветрившийся слой снимают непосредственно перед

началом укладки фундамента.

Пропитывать породЫ можно :ж:идким стеклом, rудроном, це­ ментом. Жидкое стекло используют для укрепления песчаных и песчано-глинистых пород. Гудрон дает лучшие результаты в ще­ бенистых отложениях. Цементом можно хорошо скреfUIЯТЪ тре­ щины в скальных породах. Пески можно пропитывать глинистой суспензией, что приводит к снижению водопроницаемости.

Нейтрализапию агентов выветривания из-за практических неу­ добств и дороговизны применяют сравнительно редко. Таким ме­

тодом, например, является насыщение фильтрующейся воды соля­

ми, которые она может растворЯ1Ъ в данной породе. Такая вода уже теряет способность растворять такие соли. Действие подзем­ ных вод можно нейтрализовать дренажами. Поверхностные воды

отводят различного рода ливнестоками, нагорными канавами.

Строительные материалы и изделия необходимо изолировать

от влияния агентов выветривания различными покрытия­

микрасками, лаками, штукатуркой, .жидким стеклом, орrани­

ческими пленками и т. д. В строительстве следует использовать

породы наиболее устойчивые к выветриванию.

342