Дорожное грунтоведение - Курс лекций

где X; - плечо от оси до центра тяжести блока.

| ' = Я

^С(/( при однородном грунте выражаем через длину всей дуги

1=1

скольжения Cwt, где

Сокращаем R.

В окончательном виде коэффициент устойчивости равен

j:P№9+Cw-L

Сели - это временные грязекаменные потоки, насыщенные твердыми материалами, которые могут изливаться с огромной силой из мест с высокими геодезическими отметками в равнины и долины. По характеру движения сели подразделяют на связные, или структурные, и текучие, или турбулентные; по условиям образования - на ливневые и гляциальные (возникающие в результате разрушения берегов высокогорного озера). Геологические условия способствуют формированию водокаменных, грязекаменных и грязевых селей.

Снежные лавины - это обрушение больших масс снега, причем большое количество снега не является обязательным условием для возникновения лавины. Необходима перекристаллизация снега. Упругость пара над разными по форме снежинками различна, вследствие чего мелкие кристаллы исчезают, а крупные растут, округляя свои формы. Возгонка паров от нижних слоев в верхние приводит к разрыхлению снега.

По характеру движения выделяют: снежные осовы (оползни), лотковые и прыгающие лавины.

50

Вопросы для самопроверки

1. Как называется процесс отступления моря и поднятия участков суши?

2.В какой среде распространение сейсмических волн осуществляется со скоростью 1000 км/ч?

3.Приведите пример радиального опускания поверхности Земли.

4.Какой континент смещается в восточном направлении со скоростью 70 мм/год?

5.Какие моменты преобладают при устойчивом откосе?

6.Какой параметр определяется по методу Фелениуса?

7.Напишите формулу для определения коэффициента устойчивости откоса.

8.Какой обязательный фактор ведет к возникновению гравитационных процессов?

9.Что предшествует дислокационным движениям земных масс?

10.Как образуются гляциальные сели?

8.ЭКЗОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ КЛИМАТИЧЕСКОГО

И ВОДНОГО ХАРАКТЕРА И ВЫЗВАННЫЕ ИМИ ЯВЛЕНИЯ

8.1. Явления, вызванные экзогенными процессами климатического характера

Экзогенными называются процессы, происходящие на поверхности земного шара под воздействием солнечной энергии, климатических факторов, действия воды, температуры и давления. Все экзогенные процессы подразделяются на процессы климатического и водного xapaicrepa.

К экзогенным процессам климатического характера относятся: выветривание, криогенные и эоловые процессы.

Выветриванием называется процесс разрушения и изменения состава, а также состояния горных пород на месте их залегания под воздействием физических явлений, химических процессов и деятельности различных организмов. Различают виды выветривания: физическое, или механическое, химическое, биологическое, или органическое.

51

Под физическим выветриванием понимают возникновение температурных напряжений, вызываемое колебаниями температур и водой, попавшей в трещины и развивающей боковое давление при замерзании.

Скорость процесса физического выветривания можно определить из выражения

где Н - мощность зон выветривания; а - эмпирический коэффициент, численно равный средней ско-

рости выветривания в метрах за 1-й год;

t - время на данный момент после начала выветривания; to - время появления первых признаков выветривания;

tmax - время, необходимое для формирования молодой коры. По скорости процесс выветривания можно разделить на стадии:

1)интенсивного выветривания - период, когда формируется 50% мощности коры выветривания;

2)замедленного, - когда мощность увеличивается до 80%;

3)затухающего, - когда формируется максимальная мощность. Химическое выветривание происходит под действием газов,

содержащихся в атмосфере, а также воды с растворенными в ней солями и газами.

В биологическом выветривании существенную роль играет воздействие микроорганизмов и растительности, которое приводит к образованию почвенного слоя.

Криогенные процессы связаны с отрицательными температурами на поверхности Земли. Криолитозона - это область развития мерзлых пород, имеющих нулевую или отрицательную температуру в течение ряда лет, Площадь распространения многолетнемерзлых пород составляет до 25% всей суши земного шара и около 47% площади России. Дня криолитозоны характерны: льдистость, наледи, полигонально-жильные образования, криогенная десерпция и солифлюкация.

Льдистость образуется при замерзании воды во влажных, но не водонасыщенных породах; заполняет поры, не нарушая их структу - ры. Переход такого льда в жидкую фазу не вызывает избыточного увлажнения.

52

Наледи образуются при послойном замерзании воды на поверхности в результате многократного излияния вод подземных источников.

Полигонально-жильные образования возникают на основе морозобойного растрескивания пород. Создается сетка трещин, которая заполняется водой, а затем замерзает.

Криогенная десерщия (сползание) происходит в результате пучения, направленного по нормали к поверхности, а движение при оттаивании - под воздействием силы тяжести, по вертикали (рис. 8.1).

Солифлюкция - медленное течение почв - происходит в результате оттаивания льдонасыщенных дисперсных грунтов, что приводит к утрачиванию структурных связей.

ГОРиштАЛьнАЯ поверхность

Рис. 8.1. Схема криогенной десерпции

К экзогенным процессам климатического характера относятся также эоловые процессы, т. е. процессы, происходящие под действием силы ветра. К эоловым процессам разрушительного характера относятся: дефляция и корразия.

Дефляция (выдувание) заключается в том, что от пород под воздействием ветра отрываются и уносятся частицы.

Корразия (обтачивание) - когда песчаные частицы, ударяясь о твердые породы, перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность.

Эоловые аккумуляции могут быть представлены барханами и дюнами. Когда материал, переносимый ветром, осаждается на земной поверхности, аккумулируется, возникают барханы, а если осаждение происходит на морских отмелях, - образуются дюны.

53

8.2. Явления, вызванные экзогенными процессами водного характера

К экзогенным процессам водного характера относятся: растворение, суффозия, размывание и заболачивание.

Растворение связано с вьнцелачиваемостью карбонатных и сульфатных пород и зависит от растворимости слагающих их солей. При наличии в воде свободной углекислоты растворимость известняков и доломитов увеличивается во много раз. Это объясняется тем, что СОг переводит нерастворимые карбонаты кальция и магния в растворимые бикарбонаты:

Растворение горных пород приводит к карстообразованию. Под карстом понимают совокупность геологических явлений, вызванных химическим растворением и выражающихся в образовании пустот в земной коре.

Суффозия - сложный геологический процесс, включающий в себя химическое растворение солей, вынос их подземными водами и размывание, приводящее к выносу мельчайших частиц из пород. Механическая суффозия подразделяется на контактную и внутрипластовую. При контактной мелкие частицы проникают из одного слоя в толщу другого, при внутрипласговой это происходит в пределах одного слоя. Суффозия приводит к образованию карста или воронок.

Размывание - это взаимодействие горных пород с водой. Может быть статическим и динамическим. При динамическом воздействии природных вод происходит процесс размыва, который зависит от размывасмости породы.

По размываемости породы делятся на:

1)очень легко размываемые (пески, супеси);

2)легкоразмывасмые (лессы);

3)среднеразмываемыс (мелкий галечник, глинистые породы);

4)трудноразмываемые (крупный галечник);

5)очень трудноразмываемые (аргиллиты, мергели, ряд песчани-

ков);

54

6) исключительно трудноразмываемые (магматические и метаморфические породы).

Процесс размыва горных пород называют эрозией. Донная эрозия приводит к оврагообразованию.

Заболачивание - это процесс насыщения увлажненных участков земной поверхности органическими веществами, приводящий к образованию торфа.

Торфы - волокнистые сильно сжимаемые водонасыщенные грунты в виде органоминеральной части, возникшие в результате гумификации. Накапливаются в болотах из отмерших растительных остатков, подвергшихся неполному разложению (оторфовыванию) в условиях повышенной влажности и затрудненного доступа воздуха. Различаются по степени разложения.

Болотом считается избыточно увлажненный участок земной поверхности, покрытый слоем торфа глубиной не менее 30 см в неосушенном и 20 см - в осушенном виде (Всесоюзная конференция по болотному кадастру, 1934 г.).

Болото может образоваться двумя путями:

1) при натеке воды на данный участок из окружающих мест и застое в течение вегетационного периода;

2) при превышении осадков над испарением и недостаточном стоке.

В соответствии со СНиП 2.05.02-85 различают три типа болот: 1-й тип - болота, заполненные болотными грунтами, прочность

которых в природном состоянии обеспечивает возможность возведения насыпи высотой до 3 м без возникновения процесса боковог о выдавливания слабого грунта;

2-й тип - болота, содержащие в пределах болотной толщи хотя бы один слой, который может выдавливаться при некоторой интенсивности возведения насыпи высотой до 3 м, но не выдавливается при меньшей интенсивности возведения насыпи;

3-й тип - болота, содержащие в пределах болотной толщи хотя бы один слой, который при возведении насыпи высотой до 3 м выдавливается независимо от интенсивности возведения насыпи [8].

55

Верховым болотам свойственна слабая обводненность и степень разложения (5... 15%). Зольность торфа составляет 1,5...3,5%.

Переходные болота занимают промежуточное положение. Зольность торфа - 4 ... 7% при степени разложения 20...35%.

В Беларуси болота занимают 2,5 млн. га (табл. 8.1), что составляет 12,4% ее территории [9]. Преобладают низинные болота на юге республики. Верховые распространены в северной части. В настоящее время болотообразование протекает слабо из-за уменьшения количества осадков, увеличения температуры воздуха, усиления испарения, вырубки леса, обмеления рек и осушения болот.

Т а б л и ц а 8.1

Распределение болот по областям (по А.П.Пидопличко, 1961 г.)

Вопросы для самопроверки

1.На какие виды разделяются экзогенные процессы?

2.Что такое выветривание?

3.Какую часть земного шара занимает криолитозона?

4.Чем отличаются друг от друга десерпция и солифлюкция?

5.Опишите процесс формирования дюн.

56

6.Напишите реакцию перехода растворимых карбонатов в нерастворимые бикарбонаты.

7.Что такое контактная суффозия?

8.К каким породам по размываемости относятся суглинки?

9.К какому типу относится болото, сплошь заполненное торфами, подстилаемое плотным грунтом?

10.Какая область Республики Беларусь является наиболее заторфованной?

9.ГРУНТ КАК МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ СИСТЕМА

Составляющими фазами грунта являются:

1)твердая - минеральная и органическая части горных пород;

2)жидкая - содержащиеся в пустотах природные воды;

3)газообразная - газы в пустотах породы.

Твердая фаза образуется при разрушении горных пород и минералов, поэтому твердые частицы имеют различную форму, состав и размеры. С уменьшением размеров частиц возрастает удельная поверхность грунта и усиливается проявление физико-химических сил, действующих на поверхности данных частиц.

Жидкая фаза включает воду, заполняющую промежутки между твердыми минеральными частицами с растворенными минеральными солями. Важнейшим показателем физико-химической природы грунтовых вод является показатель концентрации водородных ионов - рН. Показатель рН характеризует соотношение свободных ионов Н и и ОН"'. В зависимости от этого характер реакции будет:

1) нейтральным - при ЬГ1 = ОН"1, чему соответствует рН = 7; 2) щелочным - при Нн < ОН"1, чему соответствует рН > 7; 3) кислым - при H+1 > ОН"1, чему соответствует рН < 7. Следует отметить, что рН может изменяться от 1 до 13.

Газообразная фаза соприкасается с жидкой и растворяется в ней, вступая при этом во взаимодействие с твердыми частицами.

Обычное состояние грунта - трехфазное, однако он может находиться и в двухфазном состоянии, когда промежутки между твердыми частицами целиком заполнены водой. В таком состоянии находятся грунты, расположенные ниже уровня грунтовых вод. Искусственным путем грунт можно представить и в однофазном состоянии, если из него удалить воду и поместить под вакуум.

57

Все горные породы различаются по:

1)минералогическому составу;

2)состоянию;

3)структурным и текстурным особенностям.

Под минералогическим составом понимают относительное содержание различных минералов, выраженное в процентах к весу.

Состояние характеризуется плотностью, влажностью и др.

Под структурой подразумевается внутреннее строение горной породы, обусловленное величиной и формой минералов, а также характером связей между отдельными элементами.

Текстура определяет внешний облик породы (массивность, однородность, слоистость, пористость).

9.1. Структура грунтов

Размеры, форма и взаимное расположение зерен в грунтах может быть разнообразным и зависеть от состава материнской породы. Зерна могут быть шарообразными или угловатыми. Поверхность зерен может быть гладкой или шероховатой. Пространство между частицами называют порами.

Число контактов =12 Число контактов = 12 Рис. 9.1. Возможные комбинации расположения шаров:

а- статически неустойчивая укладка; б, в, г - статически устойчивая (наиболее вероятная); д - статически устойчивая (редчайшая)

58

По плотности укладки зерен различают: плотную и рыхлую раз- дельно-зернистую структуры. Плотная структура характеризуется минимальной пористостью.

Приняв допущения, что грунт представлен шарообразными частицами одного размера, можно вывести пять теоретически возможных взаиморасположений этих частиц, при которых пористость изменяется от «шах» до «min» (рис. 9.1).

В каждом из перечисленных случаев есть одно из двух соотношений между диаметром шара и вписанной в пространство между

шарами окружностью (рис. 9.2):

(9.1)

Рис. 9.2. Соотношение между диаметром шара и цилиндрической порой

Хотя поперечное сечение поровых каналов принимают круглым, в действительности их геометрическая форма приближается к треугольнику. По длине они также изменяются и имеют сужения и расширения. Но поскольку в вершинах треугольника нет движения фильтрационного потока воды из-за образования застойных зон и пленок молекулярно связанной воды, поры считают цилиндрическими. Наиболее распространенные значения пористости для различных грунтов представлены в табл. 9.1.

9.2. Значение пористости грунтов

Структуру рыхлых обломочных и песчаных грунтов называют

Раздельно-зернистой, глинистых - агрегатной. Последняя отлича-

59