u_lectures

Раздел 5. Инженерная геодинамика

Тема 5.1. Экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы и явления

План:

5.1.1.Инженерная геодинамика

5.1.2.Экзогенные геологические процессы и явления

5.1.3.Инженерно-геологические процессы и явления

5.1.1. Инженерная геодинамика

Инженерная геодинамика изучает геологические процессы и явления как естественные, так и возникающие в связи со строительством сооружений и хозяйственным освоением территорий. Условия строительства сооружений на территориях с различными геологическими процессами специфические, в каждом отдельном случае регламентируются специальными строительными нормами и правилами.

Геодинамика решает вопросы строительства сооружений в особых геологических условиях, разрабатывает теоретические основы охраны территорий и прогноза геологических процессов и явлений. Конечными задачами инженерной геодинамики следует считать разработку научных основ и методов управления геологическими процессами и рационального использования недр Земли. В соответствии с этим, инженерная геодинамика изучает и разрабатывает [10]:

1.закономерности распространения разнообразных экзогенных процессов и явлений;

2.закономерности возникновения геологических процессов и явлений, связанных с хозяйственной деятельностью человека;

3.динамику различных процессов, формы проявления и обусловленность природными или искусственными факторами;

4.качественные и количественные методы оценки возможного влияния геологических процессов на устойчивость территорий, сооружений и условия их эксплуатации;

5.теоретические основы прогноза угрозы геологических процессов и явлений с целью управления их развитием, предупреждая возникновение;

7.методику инженерно-геологических исследований для обоснования проектов защитных инженерных мероприятий.

Геологические процессы проявляются в развитии геологических явлений. При изучении таких процессов учитываются те силы, которые обусловливают их возникновение и развитие. Эту взаимосвязь отметил Ф.П. Саваренский – основоположник инженерной геологии – еще в 1937 г. Ниже приво-

121

дятся группы геологических процессов и связанных с ними геологических явлений (табл. 11).

Как видно из таблицы, процессы и явления неразрывно связаны, причем процесс следует понимать как развитие или смену состояния какого-либо природного явления, а явление – как содержание и выражение самого процесса.

5.1.2. Экзогенные геологические процессы и явления

Характеристика геологических процессов проводится в соответствии и в последовательности, предложенной Ф.П. Саваренским.

Геологические процессы, связанные с поверхностным стоком. К ним относятся: абразия речных долин, оврагообразование, эрозия речных долин.

122

Абразивные процессы развиваются под воздействием волноприбоя. Подмыв и разрушение берега моря изменяет профиль очертания берега моря и его устойчивость.

Формирование берега зависит от прочности и физического состояния слагающих их пород. Устойчивость берега зависит от условий залегания пород и последовательности напластования пород различного петрографического состава.

Для защиты берега моря от разрушения проводятся профилактические и капитальные мероприятия. Профилактические – с целью предупреждения опасных явлений, это охрана пляжей, берегоукрепительные сооружения, наблюдения за нормальными условиями их работы, стационарные наблюдения.

Капитальные мероприятия заключаются в строительстве сооружений и береговых укреплений: волноотбойные стенки, бетонные плиты, каменные наброски, молы и др.

Эрозионные явления. При формировании речных долин ведущее значение имеет донная и боковая эрозия. Работа рек проявляется в размыве и разрушении русел, берегов и в переносе рыхлого материала, поступающего в их поток.

Для защиты берегов рек от разрушения выполняются противоэрозионные мероприятия: каменная наброска в береговой зоне, мощение, укладка бетонных плит и т.д.

Овраги образуются в результате размыва склонов, сложенных легко размокаемыми породами. Особую опасность представляют ливневые дожди. Скорость развития оврагов может достигать от 40 од 60 м в год.

Основная задача при защите склонов от разрушения оврагами заключается в регулировании поверхностного стока. Достигается это путем выполнения комплекса мероприятий: 1) лесомелиоративные – устройство полезащитных лесных полос; дополнение – посев многолетних трав; 2) строительство водоулавливающих и водорегулирующих сооружений (нагорные и водоотводные канавы, водоудерживающие валы и дамбы); 3) укрепление участков активного размыва засыпкой с последующим мощением камнем, свайными рядами, одерновкой; 4) строгое соблюдение правил землепользования и агротехники (установление охранных зон с запрещением вырубки леса, распашки земель и т.д.

К деятельности поверхностных вод относятся паводки на горных ре-

ках, которые проявляются в образовании селя. Селями называют происходящие на горных реках и временных водотоках паводка, несущего много твердого обломочного материала и глинистого мелкозема. Сели внезапны и кратковременны, проходят с большими скоростями течения за несколько часов (до 3–5 ч), часто волнами из-за образующихся заторов.

Сели образуют определенный тип континентальных отложений - пролювий. Они слагают конусы выноса, пролювиальные шлейфы и покровы.

123

Защита от селевых явлений: 1) организация службы режимных наблюдений в пределах водосборного бассейна и селеопасного района; 2) устройство охранных зон; 3) выполнение лесомелиоративных работ; 4) выполнение регуляции поверхностного стока на склонах водосборного бассейна; 5) создание регулирующих и улавливающих сооружений в руслах потоков; 6) строительство каналов, селеспусков и других сооружений для организованного пропуска селевых паводков.

Содновременной деятельностью поверхностных и подземных вод свя-

зано заболачивание территорий и просадочных явлений. Болота – это участ-

ки, где в результате заболачивания происходит накопление растительных остатков и образование торфа. Наиболее благоприятные условиями для образования болот является влажный климат, равнинный рельеф, пониженные элементы рельефа и близкое залегание к поверхности грунтовых вод.

Строительство сооружений на болотах и заболоченных территориях связано со свойствами торфа, главными из которых является высокая влагоемкость и неравномерная сжимаемость.

При строительстве предусматриваются все меры для сильно и неравномерно сжимаемых грунтов: армированные пояса, осадочные швы, разрезка зданий на отдельные жесткие отсеки, дренажные рвы и т.д.

Просадочные явления наблюдаются в лессах. Характеристикой их гранулометрического состава является повышенная или высокая пылеватость (до 80–82 %). Лессы характеризуются понишенной плотностью, легко размываются и быстро размокают. При оценке лессовых пород особое значение имеет определения просадочности.

Мероприятия для устойчивости зданий на лессовых породах: 1) предохранение лессовых пород от замачивания; 2) прорезка лессовых пород глубокими фундаментами; 3) устранение просадочных свойств лессовых пород; 4) применение конструкций зданий, малочувствительных к просадкам.

Сдеятельностью подземных вод связаны явления карста, плывунов и суффозии. Явления карста подробно рассматривались в разделе «Общая гидрогеология». В инженерной геологии карст создает большие проблемы при оценке территорий и условий строительства.

Для оценки устойчивости закарстованных территорий необходимо знать глубину залегания растворимых пород, степень их закарстованности, состав и свойства покровных отложений.

В районах распространения карста применяют следующие комплексы мероприятий: 1) планировку территорий, сопровождающуюся регуляцией поверхностного стока и устройством канализации для отвода производственных вод; 2) каптаж подземных вод и дренаж обводненных пород; 3) площадную подготовку основания; 4) устройство опор глубокого заложения; 5) искусственное уплотнение и укрепление пород; 6) устройство противофильтрационных завес; 7) разнообразные конструктивные мероприятия.

124

В строительной и горной практике плывунами называют пески тонко- и мелкозернистые, водоносные, которые при вскрытии котлованами и горными выработками плывут. Плывуны могут течь медленно и быстро, катастрофически быстрое движение плывунов представляют большую опасность для строительных и горных работ [16].

Плывуны – это слабые, неустойчивые породы, требующие применения специальных методов ведения строительных и горных работ и специальных мероприятий для обеспечения устойчивости сооружений. Причина плывунности состоит в особенностях состава, состояния и свойств песчаной породы, находящейся под воздействием гравитационных, гидростатических и гидродинамических сил, доминирующая роль которых может изменяться в зависимости от геологического строения: условий залегания плывуна и условий вскрытия.

При строительстве сооружений в плывунах применяют специальные способы проходки, которые могут быть подразделены на следующие группы.

1.Проходка подземной выработки с помощью ограждающих крепей, опережающих забой. Такая проходка сопровождается водоотливом и понижением уровня воды водопонижающими скважинами, располагающимися по контуру подземной выработки.

2.Проходка подземной выработки после замораживания пород, которое производят охлаждением пород до температуры –200С рассолом, циркулирующих в замораживающих колонках.

3.В плывунах, обладающих повышенным напором, проходку подземных выработок часто осуществляют с помощью проходческих щитов, в которых создают повышенное давление воздуха.

Суффозия – это процесс выноса мелких частиц из породы, заполнителя трещин или карстовых полостей при определенных условиях. Основными действующими силами, вызывающими развитие суффозии, являются либо большие скорости движения фильтрационного потока, который вымывает частицы, размывает породы, либо возникающее гидродинамическое давление

вфильтрационном потоке.

Суффозия возникает преимущественно в породах, у которых коэффициент неоднородности гранулометрического состава больше 20.

Для предупреждения суффозии снижают уровни подземных вод дренажами на опасных участках. С целью уменьшения градиентов потока устраивают шпунтовые ограждения и противофильтрационные завесы для увеличения длины пути фильтрации.

Действие гравитационных сил проявляется в виде оползней и овалов. Оползнем называется масса горных пород, сползшая или сползающая

вниз по склону под влиянием силы тяжести, гидродинамического давления, сейсмических процессов и др. Оползневые явления всегда сопровождаются изменением рельефа местности, ее геологического строения.

125

Каждый оползень обладает той или иной степенью устойчивости, которая зависит от причин, вызывающих сползание грунта и степенью их устранения.

Размеры оползневых масс различные: малые – отдельные глыбы, небольшие срывы объемом в единицы кубических метров; небольшие объемом от десятка до 100–200 м3; большие – тысячи и десятки тыс. м3; грандиозные – сотни тыс. м3.

Поверхность, по которой происходит оползание, называется поверхностью скольжения. Формы поверхности скольжения в однородных породах чаще вогнутая; в неоднородных – определяется положением и ориентировкой поверхности и зон ослабления в толще пород, слагающих склон или откос. Место выхода кривой смещения к подножью склона называется подошвой оползня.

Инженерно-геологическая оценка устойчивости оползня должна быть комплексной (качественной и в конечном счете обязательно количественной), она должна основываться на данных изучения: морфологии, строения (структуры) оползня; динамики развития оползневых явлений; соотношения усилий, сдвигающих и удерживающих, определяющих равновесие горных масс, слагающих оползень.

В настоящее время в практике борьбы с оползнями применяют следующие группы мероприятий: 1) регулирование поверхностного стока; 2) дренаж обводненных горных пород; 3) перераспределение масс горных пород; 4) защита от подмыва и размыва; 5) закрепление масс горных пород подпорными и анкерными сооружениями; 6) искусственное улучшение свойств горных пород; 7) мелиоративные работы; 8) профилактические мероприятия.

Обвальные явления развиваются под влиянием гравитационных сил на склонах и откосах, к ним относятся собственно обвалы, вывалы и осыпи.

Вывал – это внезапный отрыв и падение отдельных глыб и блоков горных пород из откосов выемок, бортов карьеров, с крутых и отвесных склонов, сложенных скальными или полускальными породами.

Осыпи, в отличие от вывалов, характеризуются только небольшими размерами отдельностей, образующихся вследствие определенного физического состояния горных пород.

Собственно обвалы – это обрушение как отдельных глыб и блоков, так

иболее крупных объемов скальных и полускальных пород из обнажений, расположенных на нагорном склоне бровки откоса, или из крутой, отвесной верхней части склона, сопровождающееся их скатыванием, опрокидыванием

ираскалыванием. Обвальные явления характеризуют неустойчивость склонов

иоткосов, и на участках их распространения создают опасность сохранности

инормальной эксплуатации сооружений.

Обвальные явления наблюдаются только в горных районах с резкорасчлененным рельефом, в районах распространения высоких и крутых склонов, на участках склонов, подрезанных откосами выемок, а также в карьерах,

126

имеющих крутые откосы. Такое распространение обвальных явлений указывает на прямую связь условий их формирования с рельефом – с участками высоких и крутых склонов и откосов.

Противообвальные мероприятия состоят из работ профилактического порядка и работ по строительству специальных противообвальных сооружений.

Явления, связанные с промерзанием и оттаиванием горных пород, рассматриваются в теме 5.3.

Действие внутренних сил в горных породах рассматривалось при изучении водных свойств песчаных и глинистых пород.

Влияние инженерной деятельности человека будут рассмотрены ниже в г. 5.1.3. на примере горно-геологических явлений при подземной и открытой разработке месторождений полезных ископаемых.

Остановимся на природе сейсмических явлений и условиях строительства в районах землетрясений.

К сейсмическим относятся территории, подверженные землетрясениям, т.е. резким, внезапным подземным толчкам и колебаниям земной коры, угрожающим жизни и деятельности человека.

Землетрясения имеют тектоническое происхождение и связаны с колебательными движениями земной коры. Эти движения приводят к образованию гор и впадин, обусловливают накопление напряжений в толще горных пород литосферы в течение длительного времени. Когда такие напряжения достигают предела прочности горных пород, происходит разрыв литосферы или ее части и образуются разломы. Область разрыва принято называть очагом землетрясения.

Кроме землетрясений тектонических бывают землетрясения, связанные с деятельностью вулканов, образованием обвалов, а также с деятельностью человека.

Интенсивность землетрясения определяется в первую очередь количеством энергии, выделяющейся в области очага, и энергией сейсмических волн. Для характеристики землетрясения используют степень разрушения зданий, остаточные явления в горных породах, изменение режима поверхностных и подземных вод, нарушение рельефа.

При строительстве в сейсмических районах должны выбираться строительные площадки с учетом детального микрорайонирования; должна соблюдаться правильная компоновка зданий.

5.1.3. Инженерно-геологические процессы и явления

Естественная геологическая обстановка строительства в освоенных человеком районах всегда в той или иной степени изменена. Особенно радикальные изменения связаны с горными работами, крупными гидротехническим и городским строительством. Условия эксплуатации существующих со-

127

оружений и возведения новых в таких районах складываются из совокупности природных условий и условий, созданных человеком в процессе строительства и возникающих в результате взаимодействия инженерных сооружений с геологической средой.

Интенсивность и характер изменений в природной геологической обстановке, очевидно, будут зависеть как от вида инженерного воздействия, так

иот некоторых особенностей самой геологической обстановки. Поэтому явления искусственного изменения этой обстановки, т.е. инженерногеологические явления, отличаются очень большим разнообразием. Остановимся на тех явлениях, которые возникают при разработке месторождений полезных ископаемых открытым или подземным способом. Эти явления на-

зываются горно-геологическими.

Спроведением горных выработок первичное напряженное состояние и условия равновесия горных пород в массиве нарушается. Это происходит в результате перераспределения напряжений, приводящих к появлению очагов концентрации напряжений в одних местах и ослаблению в других. В условиях неоднородных в отношении структурно-механических характеристик массивов пород картина перераспределения напряжений представляется значительно более сложной.

В новой обстановке напряженного состояния, вызванной проведением выработок, горные породы деформируются тем интенсивнее, чем ниже их показатели прочности. При наличии вблизи выработок (в их кровле) высокопрочных пород они будут поддерживать вес вышележащих пород, и, таким образом, аккумулировать большие запасы потенциальной энергии деформирования пород.

Горно-геологические явления при подземных работах. Деформации вследствие нарушения естественного напряженного состояния массива при проведении горных выработок могут появиться сразу же после проведения выработки или же по истечении некоторого времени, необходимого для образования значительного пролета выработки, развитие необратимых деформаций (явления ползучести и релаксации) горных пород и изменения состояния

исвойств самих горных пород в результате изменений механических условий деформирования, происходящих по мере развития горных работ, а также гидрогеологической обстановки, степени выветрелости пород и т.д [11].

Большинство горно-геологических явлений при подземных работах представляют собой результат действия сил горного давления. Подчиненное значение играют горно-геологические явления, возникающие в результате воздействия сил фильтрационного давления. К первой группе относятся сдвижения горных пород, пучение пород, отжим, горные удары и внезапные выбросы угля и газа и некоторые другие явления. Явления фильтрационного выпора, прорыва подземных вод и плывунов, суффозионного размыва пород

инекоторые другие составляют вторую группу горно-геологических явлений, природа которых была охарактеризована ранее.

128

Сдвижение горных пород – это сложный и многостадийный процесс деформирования подработанных горными выработками толщ горных пород. Начинаясь от выработки, они развиваются во всей покрывающей толщи, и могут дойти до поверхности, вызвав плавное едва заметное пригибание или же значительные, нередко резкие и неравномерные деформации, сопровождающиеся образованием трещин и обрушениями. Область массива, пришедшая в движение, образует зону сдвижения. Впадина, образовавшаяся на поверхности земли, называется мульдой сдвижения. Углы наклона линий, ограничивающих зону сдвижения от нетронутого массива, именуются углами сдвижения. Очень важными элементами сдвижения являются наибольшее оседание ηо, величина наибольшего горизонтального сдвижения ξmax и наибольший наклон мульды ηmax.

Пучение горных пород наблюдается на буроугольных месторождениях, месторождениях каменного угля и антрацитов. В результате пучения уменьшается поперечное сечение выработки, нарушаются крепление и шахтные пути. Иногда горная выработка полностью заполняется пучащейся породой. Известны случаи закрытия шахты и рудника из-за невозможности или нецелесообразности поддержания выработок в сильно пучащихся породах.

Пучение в типичном виде проявляется в пластических глинистых породах, обладающих незначительным сцеплением и внутренним трением. Но на значительных глубинах разработок (до 1000 м и более) отмечается иногда подвижность пород почвы, отличающихся значительной прочностью и относящихся к группе полутвердых и даже твердых пород (глинистые сланцы, плотные и прочные аргиллиты и алевролиты). Однако такого рода деформации пород почвы имеют физическую природу, отличную от физической природы явлений пучения пластических глинистых пород, и поэтому должны быть отнесены в особую группу проявлений горного давления. Борьба с ними ведется в основном с применением прочных, жестких и замкнутых крепей, а также выбором таких технологических схем и способов работ, которые обеспечивают максимальное снижение горного давления, быстрое проведение и крепление горных выработок.

Отжим горных пород и пластов угля. Эти явления наблюдаются в слу-

чаях, когда в кровле пласта развиты породы, допускающие прогиб без видимого нарушения сплошности, или же породы, опускающиеся крупными блоками. Отжим начинается со слабых прослойков угля или породы. Прочные породные прослои и включения, например в угольном пласте, резко снижают отжимаемость. Снижают отжимаемость и слабые породы кровли. Очевидно, что отжимаемости будут способствовать все факторы, повышающие горное давление на забой. Из горно-геологических факторов наибольшее влияние на отжим угля оказывают: система разработки и длина лав, взаиморасположение лав и скорость их продвигания, способ управления кровлей. Используя влияние этих факторов, на многих шахтах добились значительного повышения производства труда при зарубке угля.

129

Горные удары и внезапные выбросы угля и газа представляют собой грозную опасность при горных работах. Разрушение горных пород и угля при этих явлениях носит характер внезапного взрыва, сопровождающегося сильным гулом, сотрясениями и воздушным ударом. В результате крепь горных выработок повреждается ил полностью разрушается, выработка заваливается выброшенной породой и углем, а породы кровли, ослабленные ударом, теряют свою устойчивость и часто обрушаются, заваливая выработку. Горному удару обычно предшествуют усиление горного давления на целики и крепь выработок, выпучивание почвы, выдавливание целиков и некоторые проявления горного давления.

Горные удары возникают при высокой прочности и жесткости вмещающих пород и способности их накапливать энергию упругой деформации. Они наблюдаются на участках максимальной концентрации напряжений и в момент мгновенного перераспределения последних при нарушении сплошности высокопрочных пород кровли, обычно в наиболее расслабленных зонах. Интенсивная дислоцированность пород всегда благоприятствует данным явлениям. Внезапные удары большой силы наблюдаются в калийных рудниках и при извлечении оставленных целиков в угольных шахтах.

Внезапные выбросы угля и газа (метана, углекислого) приурочиваются к призабойным частям угольного пласта. В большинстве случаев они начинаются с глубины 250 м, однако, отмечены случаи и на меньших глубинах.

Угольный пласт подверженный внезапным выбросам, имеет рыхлое сложение, без кливажной трещиноватости и заключен в прочных горных породах (песчаниках, крепких глинистых и песчано-глинистых сланцах).

Горно-геологические явления при открытых разработках.

Создающиеся при открытых разработках откосы подвержены различного рода деформациям [7]. Многие из них, в особенности оползни, сильно затрудняют ведение горных работ, повышают себестоимость и потери полезного ископаемого. Вопросы устойчивости откосов приобретают большое значение в связи с дальнейшим развитием открытых работ в новых бассейнах и месторождениях, а также углублением действующих ныне карьеров. Особо остро встают вопросы устойчивости бортов угольных карьеров, так как массивы угленосных месторождений, как правило, сложены менее устойчивыми горными породами, чем массивы рудных месторождений.

В карьерах различают откосы временных (рабочих), нерабочих и отвальных уступов, а также откосы капитальных и разрезных траншей.

Абсолютно устойчивых откосов в природе нет, все они в той или иной мере деформируются. Поэтому можно говорить только об относительной устойчивости откосов. Откосы считаются относительно устойчивыми, если их деформация невелики и не вызывают выполнения сколько-нибудь значительных работ по уборке смещенных масс. При этом различают откосы краткосрочной и долговременной устойчивости [11]. Откосы рабочих бортов относятся к категории краткосрочно устойчивых; их относительная устойчивость

130