8. Природні геологічні та інженерно-геологічні процеси.

Усі процеси, що протікають у надрах землі або на її поверхні, поділяються на ендогенні або внутрішні (гороутворення, землетруси, магматизм, метаморфізм та ін.) і екзогенні або зовнішні (вивітрювання, геологічна робота рік, морів, вітру, льодовиків, атмосферних опадів, а також прояв таких явищ як зсуви, пливуни, карсти, суфозія, просідання та інші).

Екзогенні геологічні та інженерно-геологічні процеси протікають у верхній зоні земної кори та на поверхні землі, змінюють стан і властивості певних типів гірських порід (посадкових, набрякливих і т.п.), впливають на геоморфологію території, стійкість будівель і споруд. Ці процеси проходять як під дією природних сил, так і внаслідок інженерної діяльності людини.

Головними чинниками екзогенних геологічних процесів є повітря, вода, органічний світ. Під дією річних та добових змін температури, кисню, вуглекислоти, поверхневих та підземних вод, вітру, льодовиків проходить руйнування гірських порід, транспортування їх і накопичення в іншому місці.Інженерна діяльність людини може обмежувати або активізувати хід геологічних процесів. Інженерно-геологічні процеси на відміну від природних, проходять локально (в місцях інженерної діяльності) та інтенсивніше (наприклад, опускання поверхні землі при відкачуванні підземних вод, чи при розробці корисних копалин і т.ін.).

8.1. Вивітрювання гірських порід.

8.1.1. Види вивітрювання.

Сутність процесу вивітрювання зводиться до механічного подрібнення та зміни мінералогічного складу гірських порід під дією коливання температури, води, діяльності рослин і організмів, кисню, вуглекислоти та ін. У залежності від діючих чинників розрізняють три типи вивітрювання:

1) фізичне (механічне);

2) хімічне;

3) органічне.

Фізичне вивітрювання обумовлене коливанням температури та дією води. При почерговому нагріванні та охолодженні гірських порід утворюються мікротріщини, згодом вони збільшуються, в них попадає вода, яка при мінусових температурах замерзає і посилює руйнування порід. При замерзанні вода збільшується в об’ємі на 9% і передає при цьому тиск на стінки тріщини до 240МПа.

Масивна порода із жорсткими зв’язками між частками перетворюється на скопище уламків, слабко зцементованих один з другим.

Найбільше піддаються температурному вивітрюванню грубозернисті полімінеральні породи із різними коефіцієнтами об’ємного розширення мінералів, що їх складають наприклад, ортоклаз-0,00017, кварц-0,00031). При температурному розширенні виникає значне напруження. Так, при нагріванні кварцу від 20° до 60° тиск на кристал становить 54,5МПа.

Деякі породи розтріскуються при поперемінному зволоженні та висиханні (наприклад, мергель), перетворюючись у скопище дрібних уламків. Механічне руйнування виникає також при кристалізації солей у капілярах, дії коріння рослин і т.ін.

Хімічне вивітрювання - це руйнування гірських порід, яке супроводжується зміною їх мінерального складу під дією води, кисню, вуглекислоти, органічних кислот. Процеси хімічного вивітрювання досить складні і різноманітні.

Найпростіший вид хімічного вивітрювання - це розчинення у воді.Інший процес - це гідратація, яка полягає у вбиранні мінералом води, молекули якої входять у просторову кристалічну решітку (наприклад, перехід ангідриту у гіпс

СаSO₄+H₂O СаSO4H2O

При цій реакції значно збільшується об'єм породи (на 50-60%).

Значно розповсюджені також процеси окислення, що приводять до руйнування піриту з утворенням сірчаної кислоти:

FeS₂+**+H₂O FeSO₄+H₂SO₄

Стійкими щодо хімічного вивітрювання є кварц, корунд, мусковіт; середню стійкість мають апатит, біотит, ортоклаз; найменш стійкими є кальцит, пірит, рогова обманка та ін.

Органічне вивітрювання полягає у дії на гірські породи організмів та рослин. Під дією коріння відбувається механічне руйнування, під дією гумінових кислот та бактерій - біохімічне.

8.1.2.Елювій і делювій.

Продукти вивітрювання гірських порід, що залишаються на місці утворення, називаються елювієм; змиті атмосферними водами або переміщенні під дією сили тяжіння до підніжжя схилу -делювієм.

Елювій пов'язаний із корінними породами і поступово переходить до них; це, як правило, уламково-глинисті породи.

Делювій - це грубоуламковий, піщаний, пилуватий та глинистий ґрунт, часто із проявами грубої слоїстості.

Елювій і делювій являють собою неміцні підвалини для фундаментів різних споруд; вивчення будівельних властивостей їх досить утруднене внаслідок неоднорідності їх.

,

8.1.3. Боротьба з вивітрюванням

При будівництві різних споруд дуже вивітрілі породи видаляють або зміцнюють їх шляхом ущільнення, цементації і т.ін. Просочування пісків глинистим розчином значною мірою зменшує їх водопроникність.

Для боротьби з вивітрюванням застосовують такі заходи:

- покриття гірських порід різними матеріалами, непроникними для вивітрювання;

-просочування порід різними речовинами; (цементним, глинистим розчином, рідким склом і т.ін).

- нейтралізація агентів вивітрювання;

-планування території і відведення поверхневих вод.

Вибір того чи іншого заходу залежить від ступеню і характеру вивітрілості порід, конструктивних особливостей споруди і т. ін.

Покриття гірських порід здійснюється гудроном, бетоном, цементним розчином, глиною плівками. Добрим ізоляційним матеріалом є суглинок.

Просочують породи рідким склом, гудроном, цементним, або глинистим розчином, що значною мірою зменшує їх водо проникність.

Дію підземних вод нейтралізують улаштуванням дренажів Поверхневі води відводять ливне стоками, нагірним канавами, поглинальними колодязями та ін.

8.2. Геологічна робота вітру

Геологічна діяльність вітру полягє в руйновані гірських порід, перенесенні продуктів руйнування та їх акумуляції. Ці процеси тісно пов'язані між собою і носять назву еолових.

Руйнівна робота полягає у видуванні (дефляції) дрібних часток і обточуванні (коразії) порід дрібними уламками, що переносяться вітром. Вітер, що має швидкість 4-5 м/сек, уже починає видувати пухкі породи і переміщувати частки розміром 0,25мм, а при швидкості біля 10м/сек. переносить навіть пісок. Внаслідок дефляції утворюються негативні форми рельєфу - улоговини, западини.

Обточування, шліфування порід за допомогою піщинок, що їх несе вітер /коразія/ призводить до утворення химерних форм скель /останці/, підточених знизу /грибоподібні скелі, що хитаються, еолові стовпи/.

Вітер переносить глинисті, пилуваті і дрібнопіщані частки /розміром 0,25 мм/ на відстань сотень і навіть тисяч кілометрів. Транспортування відбувається у виваженому стані, а також шляхом перекочування.

Рухомі піски спостерігаються на берегах морів та озер /дюни/ і в пустелях /бархани. Бархани - це піщані пагорби серповидної форми з пологими(8-14⁰) з боку піддуву вітру і стрімкими /30-35⁰/ з протилежного боку. Висота барханів в пустелях Середньої Азії досягає 60 -70м, в Сахарі - до 200м.

Дюни - це піщані горби від 20 до 40 м заввишки, які утворюються на побережжях морів та озер. Рухаються за рахунок перекочування піщинок вітром. Швидкість руху від 0,5-1,0 до 20-22м на рік.

Рухомі піски засипають сільськогосподарські угіддя, будівлі, шляхи, оазиси. В Середній Азії, в Прибалтиці є поховані під піском міста і села,

Під час будівництва та експлуатації будівель і споруд необхідно вести постійну боротьбу з рухомими пісками. Найчастіше застосовують такі методи захисту від наступу рухомих пісків:

1) установлення щитів на шляху руху пісків („передова дюна”).

2) насадження рослинності з добре розвиненою кореневою системою, яка закріплює верхній шар;

3) обробка різними речовинами (бітумом, цементом, рідким склом, глинистою суспензією і т. ін.,).

Ці методи досить коштовні, крім того, закріплений верхній шар руйнується при великих швидкостях вітру ( > 20 м/сек);

4) проектування споруд, які не затримують рухомих пісків, Еолові накопичення (акумулятивні форми) - це закріплені (нерухомі) піски, а також потужні товщі пилуватих відкладів (лесові породи).

Закріплені піски (грядові, горбисті) розповсюджені досить широко. Грядові - це подовжені форми заввишки 10-20м, горбисті – це нерухомі пагорби біля 10 м заввишки з пологими схилами. Пилуваті сучасні відклади утворюються внаслідок пилових бурь. Стародавні пилуваті накопичення еолового походження - первинні леси - широко розповсюджені на земній кулі.

8.3. Геологічна діяльність атмосферної води.

Щорічно на землю випадає біля 112 тис.кмЗ атмосферних опадів у вигляді дощу, снігу, льоду. Вони здійснюють велику геологічну роботу. Текучі води руйнують, переносять і відкладають продукти руйнування. Руйнівна робота текучих вод має назву ерозії. Вона поділяється на площинну ерозію, яка призводить до виположення місцевості та струмкову ерозію, наслідком якої є яроутворення.

Продути вивітрювання (елювій) змиваються водяними потоками до підніжжя схилів, утворюючи наноси: на схилах та біля підніжжя - делювіальні, а на деякій відстані від них, низинах, що прилягають до схилів - пролювіальні.

Делювій (змитий) має широке розповсюдження на схилах та біля їх підніжжя. За складом він різноманітний; найчастіше це суглинки, супіски, піски, в гірських районах - з вмістом великих уламків. Широке розповсюдження мають делювіальні лесові суглинки, які за складом і властивостями схожі на корінні первинні леси, часто служить підвалинами будівель і споруд і в зв'язку зі своєю неоднорідністю, поганим відсортуванням, низькою щільністю та здатністю до сповзання на схилах, є слабкою основою.

Пролювій (промитий) - це неоднорідні за складок утворення, дуже часто це шари супісків, суглинків та пісків, що чергуються між собою. Такі відклади накопичуються у вигляді конусів виносу гірських річок, сельових потоків, ярів.

Процеси яроутворення.

Стікаючи заглибинами у вигляді струмків атмосферні води розмивають, поглиблюють їх, перетворюючи у промоїни і яри. Процеси виникнення ярів найбільш інтенсивно відбуваються в умовах сухого клімату, розчленованого рельєфу, наявності пухких порід, які легко розмиваються водою, наприклад лесів, відсутності рослинності на схилах. Ріст яру відбувається вершиною догори схилу, заглиблюється дно (донна ерозія) ,за рахунок росту бокових відгалужень, а також розширення схилів (бокова ерозія).

Заглиблення дна яру відбувається до певного рівня, що називається базисом ерозії. Це найнижча позначка устя ріки або озера, куди впадає водяний потік з яру. Нижче базису ерозії потік слабне і вже не спроможний розмивати породи. Коли вершина яру і всіх його відгалужень досягає найвищих позначок площі водозбору, ріст яру призупиняється, подовжній профіль має вигляд пологої кривої (профіль рівноваги),схили стають пологими і заростають рослинністю. Яр перетворюється в балку.

Яроутворення наносить велику шкоду народному господарству. З метою попередження цього процесу передбачають регулювання стоку атмосферноих вод влаштуванням нагірних канав, та водовідвідних валів, висадження дерев і кущів, заборону вирубки рослинності на схилах, зведення гребель та перепадів, що знижують швидкість.

Сельові потоки.

Це потоки, що сходять з крутих схилів в період сильних злив або інтенсивного танення снігів. Це грізне явище природи, що наносить велику шкоду народному господарству.

Селі бувають зв'язні, тобто грязьокам`яні, які здатні виконувати велику руйнівну роботу і незв'язні або водокам’яні.

В сельовому басейні розрізняють три зони: 1) зона живлення водозбору), 2) можливий шлях руху (канал стоку), 3) зона відкладання пролювію (конус виносу).

Під час інженерних вишукувань під будівництво в селенебезпечних місцевостях ретельно вивчають можливі канали стоку, прогнозують швидкість руху. Питома вага визначається кількістю крупно-уламкового матеріалу, а ударна сила - кількістю води і твердого матеріалу, що проходить за секунду через певний перетин потоку.

В різних зонах селів застосовуються ті або інші захисні заходи. В зоні водозбору - лісонасадження для регулювання водообміну. В зоні стоку - також лісонасадження для закріплення елювію на схилах для ослаблення процесів розмивання, регулювання стоку. В цій зоні застосовується також терасування схилів, перехоплення і відведення води нагірними канавами, валами. Великий ефект також дають загати, селевловлювачі у вигляді котлованів і басейнів в руслах селевих потоків. Біля підніжжя схилів влаштовують; підпірні стінки, спрямовуючі дамби, селесхо-вища, відвідні канали ,селеспуски у вигляді лотків і галерей, що пропускають селі над спорудами і шляхами або під ними.

8.4. Геологічна робота річок.

Річки виконують велику геологічну роботу: підмивають і руйнують береги (річкова ерозія), розчиняють хімічні сполуки, що входять до складу гірських порід, транспортують продукти руйнування в розчиненому вигляді, у виваженому стані і шляхом перекочування по дну. Ці продукти в низинах, коли зменшується швидкість течії, осідають і накопичуються. Під час транспортування гострі кути уламків стираються, утворюється спдющена галька.

В процесі розмивної та акумулятивної діяльності річки розробляють витягнуті, коритоподібні заглиблення (річкові долини), прагнучи досягти граничного подовжнього профілю (профілю рівноваги ),положення якого залежить від базису ерозії річки (тобто, рівня води того басейну, в який впадає річка).

За час свого розвитку річка проходить декілька стадій. На першій стадії (річка молода) її водяний потік має велику швидкість, внаслідок чого йде інтенсивна донна ерозія. Продукти руйнування майже всі виносяться у море. На стадії старіння річки швидкість потоку зменшується, донна ерозія змінюється боковою, річка розмиває береги, русло її меандрує в пошуках більш легкого шляху. Зруйнований матеріал частіше осідає в руслі.

Зміна положення базису ерозії внаслідок рухів земної кори може привести до активізації донної ерозії або посилення акумуляції наносів. Цим явищам може сприяти також інженерна діяльність людини.

Скидання в річки великої кількості води із зрошуваних земель може посилити ерозію, а інтенсивний забір води з річки веде до посилення акумуляції. Великий вплив на положення базису ерозії мають гідротехнічні споруди. Вище греблі йде посилення ерозії, нижче - акумуляції.

8.4.1. Будова річкових долин

Річкова долина складається з таких елементів: дно, тальвег, русло, заплава, тераси.

Дно річки - це найнижча частина долини.

Тальвег - умовна лінія, що з'єднує найглибші точки дна річки.

Русло (річище) - це частина долини, заповнена водою.

Залишки старих русел, що утворилися внаслідок мандрування і відокремлення від головного потоку, називаються старицями.

Заплава - частина річкової долини, яка заливається водою в повінь.

Тераси - це уступи в долині річки. Вони бувають поперечні і поздовжні. Поперечні породжують водоспади та пороги і пов'язані з тим, що в руслі річки зустрічаються породи різної міцності. Поздовжні тераси розташовані вздовж схилів у вигляді коритоподібних уступів, їх називають надзаплавними. Кожна надзаплавна тераса у свій час була заплавою. Заглиблення дна долини підіймає вище надзаплавні тераси.

Долини бувають симетричними і асиметричними, з різною кількістю терас (Дніпро в районі м.Дніпропетровська має 3 лівобережних і 5 правобережних надзаплавних терас).

Поздовжні тераси поділяються на ерозійні, цокольні і акумулятивні.

Ерозійні утворюються внаслідок розмивання корінних порід найчастіше молодими річками у верхній течії.

Цокольні в своїх бортах мають невеликі за товщиною відклади алювію.

Акумулятивні тераси сформовані цілком з річкових наносів (алювію). Утворюються вони внаслідок почергового посилення та ослаблення ерозії річки. Під час посилення її накопичені в руслі наноси розмиваються частково або повністю, до корінних порід, залишаючись тільки на схилах. У першому випадку утворюються накладені, у другому - вкладені акумулятивні тераси,

8.4.2. Заходи боротьби з річковою ерозією.

Ерозія часто завдає шкоди будівлям і спорудам, що розміщуються в річкових долинах, викликаючи зсуви, обвалля. Швидкість розмивання, в залежності від міцності порід в берегах, досягає 20 м на рік (р. Кубань біля м. Краснодару в лесах). З метою захисту від річкової ерозії влаштовують набережні, підпірні стінки, накидання бутового каміння, укладають плити, фашини, роблять струменеспрямовуючі стінки, загати. Підводну частину берегів закріплюють накиданням каміння і фашинними матрацами з каменем.

8.4.3. Алювій і його властивості.

Уламковий матеріал різних розмірів накопичується в руслових мілинах, на низьких заплавах, в гирлах і дельтах річок. Потужність алювіальних товщ досягає десятків метрів (р. Дон біля м. Ростова -до 25м}. Коливання швидкості річкового потоку призводить до утворення різних літологічних типів алювію: в гірських річках переважає крупноуламковий матеріал, у рівнинних - піщано-глинистий.

За характером наносів і місцем їх утворення розрізняють плавневий, русловий, старичний і гирловий алювій.

В гирлах накопичуються піщано-глинисті осади. До складу руслового алювію входять піски, галька, гравій. Плавневий алювій утворюється в час повені і складається із супісків, суглинків, дрібнозернистих пісків з домішками органіки.

Стариці - це старі русла річки, які згодом перетворюються в озера. На дні стариць накопичується мул, велика кількість органіки, а в повінь - і пісок. Старичний алювій найчастіше залягає лінзами.

Різні види алювіальних відкладів мають різні будівельні властивості. Давній ущільнений алювій, що міститься на терасах і в руслі, може бути доброю основою підвалинами для зведення портових споруд, елеваторів і т.ін. навіть у тому випадку, коли він складається з твердий суглинків і глини. На давніх терасах зустрічаються також лесові суглинки, які е слабкими основами. Низьку спроможність до навантаження має також сучасний заплавний алювій, що має високу вологість. Найслабкішими серед алювіальних є старичні мулисті відклади.

Характерною особливістю алювію є його нерівномірна шаруватість з наявністю лінз і прошарків різної міцності. З ними пов'язані також пливунність піщаних і набрякливість глинистих порід.

8.5. Геологічна робота моря.

До групи геологічних процесів, пов'язаних з дією гідродинаміки, належить морська абразія - руйнування морських берегів хвилями і течією, переміщення продуктів руйнування, відкладання осадків і формування з них осадових гірських, порід, Особливо інтенсивно йдуть ці процеси у прибережній мілководній зоні - зоні шельфу. Морські осади формуються як внаслідок руйнування морських берегів, так і за рахунок матеріалу, перенесеного вітром і річками. Значна частина морських відкладів утворюється шляхом накопичення залишків морських організмів і рослин, а також осадження солей.

Головну руйнівну роботу виконує морський прибій. Ударна сила хвилі під час шторму в океані досягає 3,8 КПа, в морях -1,5 кПа; Хвиля здатна перекочувати брили вагою 30...40 т на відстань 10..20 м. Морські береги руйнуються з різною інтенсивністю - від 1...2 м на рік в районі м. Одеси до 12м на рік - глинистому побережжі Азовського моря. Швидше руйнуються береги з пологим ухилом шарів ґрунту в протилежний бік від моря і повільніше - з пологим падінням шарів в бік моря, але в останньому випадку можливі зсуви порід. Досить стійкими є береги з горизонтальним заляганням шарів. Абразія проходить інтенсивніше біля стрімких берегів, положисті гасять ударну силу хвилі.

Внаслідок абразії утворюються хвилеприбійні тераси. Верхня частина тераси, що знаходиться вище води, називається пляжем. При наявності пляжу більше 20-ти метрів завширшки енергія хвилі гаситься в його межах і руйнування порід вище пляжу не відбувається.

Крім механічного руйнування морська вода розчиняє породи, вступає в реакції із сполуками гірських порід.

Заходи боротьби з морською абразією полягають в укріпленні берегів різними спорудами. Це хвилевідбійні стінки, буни, пляжі, хвилезломи, хвилерізи і т.ін.

Буни - це поперечні залізобетонні стіни, які споруджуються перпендикулярно або під деяким кутом до лінії берега. Вони гасять силу хвилі, сприяють накопиченню наносів.

Хвилезломи розміщуються паралельно до берегової лінії на відстані ЗО...40 м від берега на глибині 3...4 м. Верхня частина хвилезлому знаходиться на глибині 0,3-0,5 м від рівня моря.

Для захисту берегів застосовують також накидання тетраподів (фігур з 4-ма відгалуженнями у вигляді зрізаних конусів). Морські осади розміщуються досить закономірно. Біля берегів накопичуються грубоуламкові відклади (галька, крупнозернисті піски),в зоні шельфу - піски різнозернисті, на материковому схилі - глинистий матеріал. При віддаленні від берега до уламкових порід домішується органічний матеріал, накопичуються органічний мул, осади хімічного походження.

Будівельні властивості морських відкладів залежать від умов утворення. Глибоководні відклади однорідні, мають значну потужність, однакові властивості. Давні морські відклади є добрими основами, але інколи містять шкідливі домішки, водорозчинні солі. До слабких ґрунтів відносяться сучасні лагунні утворення, прибережний мул.

Подібна руйнівна і акумулятивна робота хвиль відбувається також на берегах озер і водосховищ, але в значно менших обсягах В озерах формуються специфічні озерні відклади (сапропель, торф, озерний трепел, мергель, крейда). В штучних водосховищах інтенсивніше проходить абразія, що зумовлено їх утворенням в континентальних відкладах.

Боротьба в руйнівною роботою хвиль проводиться тими ж методами, що і з морською абразією.

Геологічна робота льодовиків

Значна частина Східної Європи за останні 500-600 років зазнала кількох зледенінь. Найбільш значним було останнє, дніпровське зледеніння, коли льодовики , що рухалися із Скандинавії досягли широти м. Дніпропетровська і Середнього Дону.

Зараз льодовики займають 10% суші;98,5% з них - це полярні льодовики і 1,5% -гірські. Зустрічаються льодовики материкові, гірські і льодовики плоскогір’я.

Материкові льодовики залягають суцільним покривом потужністю до тисяч метрів (Гренландія, Шпіцберген). Швидкість руху в бік океану в Гренландії коливається від 4 до 38 м/добу. Великі брили льоду (айсберги) течія відносить в океан.

Гірські льодовики утворюються на вершинах гір або в ущелинах (Кавказ, Памір). Лід утворюється внаслідок перекристалізації снігу і має властивість пластичного спливання. Льодовик рухається схилами до тієї межі, де лід тане (на Кавказі-2700м.). Швидкість руху на Памірі - 1...4 м/добу, на Кавказі - 0,35 м/добу.

Льодовики плоскогір'я утворюються в горах з плоскими вершинами, де лід залягає суцільною масою, а від нього ущелинами опускаються язики. 3араз такий льодовик є в Скандинавії.

Геологічна робота льоду дуже велика і зумовлена його рухом. Лід стирає і зорює поверхню. Уламки порід, які захоплює льодовик також зумовлюють руйнівну дію. Скелі набувають округлої форми (баранячі лоби, кучеряві скелі, штриховані валуни.). Значна частина зруйнованого матеріалу переноситься льодовиком. Після танення льоду уламки утворюють потужні товщі льодовикових відкладень. Уламковий матеріал називають мореною. Під час руху льодовики розрізняють передові, бокові, серединні, внутрішні, донні морени. Бокові (берегові) та передові (кінцеві) морени позначають межі зледеніння. Донна морена утворює горби еліпсоподібної форми заввишки в кілька десятків метрів;вони називаються друмлинами. Морена являє собою відкладення валунів з супіщаним, суглинистим або глинистим заповнювачем; товщі досягають десятків метрів.

Під час танення льоду утворюються постійні струмки талої води, які розмивають морени, виносять з них дрібний матеріал і відкладають його у певній послідовності: ближче до льодовика уламки більшого розміру, далі - піски, ще далі - глинистий матеріал. Такі водно-льодовикові відкладення називають флювіояціальними. Для них характерна відсортованість та шаруватість. Флюгляціальні відкладення утворюють характерні форми рельєфу: ози, ками і зандрові поля. Ози - це вузькі високі вали з піску і гравію завдовжки кілька десятків кілометрів, і заввишки 5-50 м. Ками - безладно розкидані горби з шарів супіску, суглинку, піску, з домішками гравію і глини. Зандрові поля - це широкі пологохвилясті рівнини, що складаються з піску, гравію, гальки.

Морена і флювіогляціальні відкладення мають високі будівельні властивості, є надійними основами будівель і споруд.

Валунні глини і суглинки досить щільні, розрахунковий опір їх досягає 0,6..1,0 МПа. Винятком є тільки покривні суглинки, що легко розмокають у воді та інколи мають просадкові властивості, а також стрічкуваті глини, які в умовах водонаснчення можуть перейти в текучий стан.

Льодовикові відклади широко використовуються як будівельні матеріали.

Фізико–геологічні та інженерно-геологічні процеси і явища.

До цієї групи процесів відносять процеси, що пов’язані з рухом гірських порід на схилах (зсуви, обвали, осипи, куруми), з впливом води на гірські породи (суфозія, карст, пливуни, просідання), явища, повязані з вічною мерзлотою (нальоди, викопний лід, пучіння, соліфлюкція, термокарст).

Зсуви

Зсуви це ковзане зміщення грунту на схилах під дією сили тяжіння і з участю поверхневих і підземних вод. Таке зсунення відбувається на схилах ярів, штучних виробок, на берегах річок, морів. Вони наносять величезну шкоду, руйнують будівлі і споруди. Відомі також катастрофічні зсуви, з людськими жертвами. Зовнішній вигляд зсувних схилів має ряд відмітних ознак, за допомогою яких визначають нестійкий стан схилів:

- концентричні тріщини вздовж схилу;

- бугристість поверхні схилу;

- вали видавлювання біля підніжжя схилу;

болотистість підніжжя схилу;

терасоподібні уступи, "п'яний ліс" на схилі;

- тріщини в нижній частині будівель і споруд.

Зсуви виникають за певних умов, таких як висота і крутизна схилу, геологічна будова, властивості гірських порід, гідрогеологічні умови.

Найбільш схильні до зсування стрімкі (> 15°) схили, що мають звисну та опуклу форму, падіння в бік схилу шарів піщаних, глинистих, лесових порід; більшість зсувів приурочені до виходів підземної води.

Механічна стійкість схилу визначається співвідношенням сили, що зсуває ґрунтову масу і сили, що її утримує:

- р поверхня зсування;

Т - зсувна складова маси ґрунту;

Н - нормальна складова;

С - сила зчеплення в ґрунті

Ступінь стійкості схилу визначається за допомогою коефіцієнта К_ст

К_ст=tg+c

відношення, сил, що утримують (внутрішнє тертя і зчеплення в ґрунті) до сил, що зсувають (маса ґрунту, розміщені на ньому будівлі і споруди, гідродинамічний тиск підземної води).

Якщо при К_ст<1 – схил нестійкий, К_ст>1 схил в стійкому стані; Кст. = 1 - у стані граничної стійкості. Причинами виникнення зсуву може бути як дія природних процесів, так і інженерна діяльність людини.

1. Процеси, що змінюють зовнішню форму і висоту схилу: коливання базису ерозії річок та ярів, руйнівна робота текучої води, підрізання схилів штучними виробками.

2. Процеси, що ведуть до зміни будови і властивостей гірських порід схилу: погіршення властивостей внаслідок вивітрювання порід, зволоження поверхневими і підземними водами, суфозія.

3. Процеси, які створюють допоміжний гідродинамічний тиск води під час її фільтрації в бік схилу, гідростатичний тиск вода в порах і тріщинах ґрунту, штучне статичне і динамічне навантаження, сейсмічні явища.

В залежності від швидкості руху зсуви поділяють на такі,

що швидко ковзають і повільно зсуваються. У першому випадку зсув відбувається миттєво, у другому - із швидкістю від часток міліметра за добу до кількох десятків метрів за годину.

Зсуви поділяються на на діючі і недіючі. Діючи потребують застосування протизсувних заходів.

Розрізняють пасивні і активні заходи. Пасивні - це попереджувальні, заборонні заходи: забороняється виконувати вибухові роботи поблизу зсувних схилів, будувати на них, підрізати їх, забороняється знищення рослинності на схилах, швидкий рух транспорту, скид поливних вод на схили.

Активні заходи - це влаштування різноманітних інженерних споруд, закріплення гірських порід на схилах. Є чотири групи таких методів:

1. Боротьба з процесами, що викликають зсуви: закріплення побережжя морів і річок від руйнівної дії хвиль, яка викликає зсуви, влаштуванням набережних підпірних стінок та ін., відведення поверхневих і підземних вод з допомогою нагірних канав, валів, дренажних споруд.

2) Утримання земляних мас, що виконуються шляхом зведення підпірних стінок, вдавлювання паль-шпонок, спорудження контр-банкетів та ін.

3) Збільшення опору порід зусиллям, які зсувають ґрунтову масу, шляхом закріплення їх силікатизацією, цементуванням, електрохімічними методами. Ці методи дорого коштують, а тому застосовуються досить рідко.

4) Знімання ґрунтових мас, що зсуваються до стійких порід. Цей метод застосовується в разі невеликого обсягу зсувних мас.

Пливуни.

Пливунний стан - це такий стан насичених водою пухких піщаних і пилуватих ґрунтів, за якого вони здатні розріджуватись і переходити до стану в'язкої рідини під час розкриття їх виробками. В пливунному стані порода втрачає структурні зв'язки, частки переходять у виважений стан.

Головними факторами пливунності є величина гідравлічного градієнту, гранулометричний, мінералогічний склад, щільність ґрунту, наявність у його складі органо-мінеральних колоїдів.

Пливуни бувають справжні (істинні) і несправжні (псев-допливуни). Справжні пливуни - це породи, що мають коагуляцій ні або змішані зв'язки - глинисті піски, супіски, суглинки. Вони переходять у пливунний стан під дією високого гідродинамічного тиску і наявності в їх складі органомінеральних гідрофільних колоїдів (часток діаметром менше 0,0001 мм). Навкруг себе ці частки мають зв'язану плівкову воду, яка послаблює структурне зчеплення і знижує водопроникність порід (коефіцієнт фільтрації 0.006...0,0001 см/сек.) Розрідження відбувається при вологості меншій за повну вологоємкість. При розміщуванні у воді утворюється стійка суспензія сірувато-молочного кольору. Воду справжні пливуни майже не віддають.

Несправжні пливуни - це головним чином піщані породи,

які у пливунний стан переходять під дією високого гідродинамічного тиску підземних вод (при коефіцієнтах фільтрації 1...2 м/добу). Псевдопливуни досить легко віддають воду.

У будівельній практиці важливо визначити схильність породи до пливунності і тип пливунів. Породи здатні переходити у пливунний стан, якщо їх пористість більше 43%,при наявності різнорідного за гранулометричним складом ґрунту, гідрофільних колоїдів і глинистих часток.

Для визначення типу пливунів користуються деякими зовнішніми прикметами. Так, справжній пливун утворює в котловані накопичення рідини у вигляді цементного молока. Грудка піску має вигляд маловологого ґрунту, воду не віддає і поступово розтікається в корж.

Пливуни ускладнюють будівництво, заповнюють котловани, траншеї, здатні випирати з під фундаментів. Вони викликають зсуви, провалля, суфозію, деформації будівель і споруд. Протипливунні заходи поділяються на 3 групи:

- штучне осушування пливунів (відкачування з котловану, застосування голкофільтрових пристроїв та ін.);

- закріплення пливунів (заморожування, електрохімічні методи)

- застосування шпунтових огорож.

Для несправжніх пливунів застосовують всі ці методи, для справжніх - тільки шпунтові огорожі, заморожування, електрохімічне закріплення.

Суфозія

Розрізняють механічну і хімічну суфозію. При механічній суфозії вода виносить частки ґрунту у виваженому стані, при хімічній - у розчиненому вигляді.

Внаслідок суфозії в породах утворюються пустоти і зони розпушення.

Процес суфозії розвивається за певних умов: а)при наявності турбулентного руху водяного потоку, що виникає в пісках при гідравлічному градієнті >5; б) в різнозернистих пісках (наявність каркасу з часток великого розміру, через пори якого вільно проходять дрібніші зерна); в) на контакті двох шарів, якщо співвідношення коефіцієнтів фільтрації їх > 2.

Цей процес відбувається в піщаних, лесових ґрунтах, поблизу від поверхні землі і на глибині, особливо на схилах і укосах, при швидкому спаді води, в місцях дренування підземних вод, виходу джерел, на зрошуваних територіях,

В укосах суфозія призводить до осідання поверхні, утворення провалів, зсувів, вирв.

Хімічна суфозія протікає в карбонатних, сульфатних, галоїдних породах. Цей процес довгочасний. При значному розчиненні порід хімічна суфозія переходить в карстовий процес.

Основою всіх протисуфозійних заходів є припинення фільтрації води, регулювання поверхневого стоку, тампонування місць виходу води, спорудження дренажів. Ослаблені внаслідок суфозії породи закріплюють шляхом цементування, силікатизації та ін.

8.4. КАРСТ.

Карст - це сукупність явищ, пов'язаних з розчиненням, вилуговуванням гірських порід поверхневими або підземними водами і утворенням в земній корі пустот, порожнин, печер, а на поверхні землі - провалин, западин, рівчаків.

Карстові процеси проходять за таких умов:

- наявності потужних товщ розчинних гірських порід (до них належать вапняки, доломіти, гіпс, ангідрит, кам'яна сіль та ін.);

-наявності достатньої кількості води, що постійно рухається порами і тріщинами гірських порід;

- значної тріщинуватості масиву гірських порід;

- наявності похилого залягання шарів;

- вмісту агресивної вуглекислоти у воді.

Вода поступово розширяє тріщини, утворює в них канали і печери. Цей процес називається корозією і розповсюджується вглиб до водотриву або до рівня підземних вод. Базисом корозії, тобто нижньою межею розвитку, є рівень найближчого водоймища (річки озера, моря). Нижче рівня підземних вод, якщо вони досить мінералізовані і рухаються повільно, карстоутворення не відбувається. Там відбувається цементування тріщин за рахунок осадження із розчину.

Таким чином, в масиві порід розрізняють 2 зони - зону карстоутворення і зону цементування.

На поверхні землі внаслідок карстоутворення виникають такі форми як кари, вирви, полля;на глибинах - каверни і печери.

Кари - це дрібні жолоби, рівчаки, канави на поверхні порід, головним чином чистих вапняків. Глибина карів коливається від кількох сантиметрів до 1-2 метрів.

Вирви - це заглиблення різної форми і розмірів. Діаметр їх коливається від 1 до 100м,глибина - від 1 до 20 м. Вирви бувають поверхневі і провальні .Перші є наслідком відкритого (поверхневого) карсту і мають блюдцеподібну форму. Провальні вирви виникають в тих випадках, коли обвалюється покрівля над підземними порожнинами. Форма їх спочатку подібна до шахти, а згодом краї стають пологими.

Полля виникають внаслідок поступового об'єднання вирв та опускання великих ділянок земної поверхні через вилуговування порід, що залягають на глибині. Довжина їх інколи досягає кількасот метрів, а то і кілометрів, глибина - кількох метрів.

Каверни утворюються внаслідок розчинення порід в багаточисельних тріщинах. Породи стають схожими на стільники.

Печери - це великі підземні порожнини, утворення яких супроводиться ерозією та обвалюванням. Коливання базису корозії веде до появи багатоповерхових печер, що пов'язані між собою тріщинами і хідниками, в яких тече вода. З печерами пов'язані озера та підземні річки.

Найбільшою печерою вважається Мамонтова печера в США, довжина її галерей досягає 240км. В країнах співдружності відома Кунгурська печера на Уралі, Анакопійська у Новому Афоні, Кримська Яйла у Криму.

Будівництво в карстових районах викликає значні труднощі. Розвиток карстових форі може викликати недопустимі деформації будівель і споруд. При інженерно-геологічних дослідженнях в таких районах вивчають клімат, характер карстового процесу (діючий чи пасивний). Важливе значення має визначення швидкості розвитку карстового процесу, міри його активності, співставлення його із терміном експлуатації споруди. При будівництві в карстових районах слід застосовувати ряд заходів:

1) захист порід від дії води шляхом планування території, влаштування зливостоків, дренажів;

2) зміцнення порід шляхом нагнітання у порожнини рідкого скла, глинистого або цементного розчину, бітумів.

3) застосування нечутливих до нерівномірних осідань конструкцій, ,

8.5. Просдкові явища.

Додаткові деформації ґрунтів, які знаходяться у напруженому стані під дією навантаження від будівлі або від власної маси ґрунтів, що проявляються піл впливом додаткових факторів, носять назву просадкових. Для лесових ґрунтів додатковим фактором є замочування водою, для мерзлих ґрунтів - відтавання, для насичених водою пухких пісків - струшування.

Найбільш поширені в Україні лесові ґрунти мають деякі розпізнавальні зовнішні ознаки: високий вміст пилових часток ( 0,05...0.005мм), високу загальну пористість (4852%), серед якої значну частину складає макро пористість, структурні агрегати, вміст карбонатів (леси реагують із 10% соляною кислотою), швидке розмокання у воді, здатність утримувати вертикальні схили і т.ін.

При замочуванні водою лесових ґрунтів відбувається руйнування структурних зв'язків і перебудова структури, додаткове ущільнення їх під навантаженням. Відбувається опускання поверхні землі, а розміщенні на ній будівлі і споруди зазнають деформування, характер і розміри якого залежать від величини просідання, яка може коливатися від кількох сантиметрів до 100150см.

Згідно з будівельними нормами і правилами ґрунтові умови за величинами просідвння від дії власної ваги лесового ґрунту поділяються на два типи: I тип - просідання від дії власної ваги ґрунту відсутнє або не перевищує 5 см, II тип - просідання від власної ваги перевищує 5 см.

Перший тип ґрунтових умов зустрічається в тих районах, де потужність посадкової товщі не перевищує 8-10м, другий тип (потужність 1025м,а інколи і більше) розповсюджений в Україні, в Середій Азії, у предгірї Кавказу. Просадкові явища в ґрунтових умовах П типу виникають в тому разі, коли власна маса ґрунту перевищує початковий посадковий тиск - (тиск, при якому починається процес просідання).

Згідно з нормами лесові ґрунти відносяться до просадкових, коли величина відносного просідання _sl>0,01 і до непросадкових коли _sl<0,01. Відносна просадко вість_sl визначається в компресійному приладі без можливості бокового розширення.

В залежності від особливостей будівлі чи споруди, застосовують різні типи заходів: водозахисні, конструктивні та протипросадкові.

Водозахисні заходи передбачають відведення поверхневих вод, обладнання водонепроникної підлоги, покриття, захист споруд від витоків води із водонесучих мереж.

Конструктивні заходи спрямовані на підвищення жорсткості і міцності стиків, обладнання залізобетонних поясів, розширення фундаментів, тобто пристосування будівлі до можливих нерівномірних осідань

Протипросадкові заходи спрямовані з одного боку на ущільнення ґрунту коткуванням, трамбуванням, вібруванням, попереднім замочуванням, а з іншого боку - на закріплення ґрунтів фізико-хімічними методами, такими як випал, силікатизація, цементація, електрохімічна обробка і т.ін.

8.6. Мерзлотні явища.

Значна частина суші зазнає дії низьких температур. В більшості районів гірські породи підпадають під сезонне промерзання на глибину від 0 до 3...4 м в залежності від кліматичної зони, а також від складу та стану порід, рослинного і снігового покриву і т.ін. Найбільш значне промерзання спостерігається в сипких породах з відкритими порами (гравійні, піщані),найменше - в глинистих.

Ґрунти, що зазнають сезонного промерзання, належать до нестійких основ. При промерзанні вони значно збільшуються в об'ємі, відбувається, так звана морозна пучинність. При відтаванні гірські породи розм'якшуються, переходять у розріджений стан, інколи видавлюються з-під фундаментів, що небезпечно для будівель і споруд. Найбільш активно морозної пучнності зазнають пилуваті суглинки і супіски. Вплив пучинності на стійкість будівель і споруд усувають шляхом закладання фундаментів нижче за глибину промерзання.

В багатьох районах Півночі і Далекого Сходу, товщі гірських порід протягом багатьох тисячоліть знаходяться у мерзлому стані; вони називаються вічномерзлими породами.

За площею розповсюдження вічну мерзлоту поділяють на : 1) суцільну; 2) з проталинами, коли серед суцільної мерзлоти містяться ділянки порід, що знаходяться у талому стані; 3) острівну, у вигляді окремих островів серед талих грунтів.

У зоні суцільної мерзлоти за полярним колом досягає 500600м; в зоні з проталинами - 55...60м; в зоні острівної мерзлоти - 10...25 м. Температура мерзлих порід в цих зонах досягає відповідно - 5...-10°С; - 1...-3°С;0.,.1°С.

У вертикальному розрізі вічна мерзлота поділяється на діяльний (активний) шар, власне вічну мерзлоту і підмерзлотні шари. Діяльним шаром називають верхню частину товщі, порід, яка періодично промерзає і відтає.

За характером промерзання розрізняють 2 види вічної мерзлоти: 1) діяльний шар щороку повністю промерзає і зливається із власне мерзлотою; 2) цього не відбувається і між ними залишається прошарок талого грунту.

За фізичним станом вічна мерзлота буває: і) твердомерзла (монолітна),коли частки піщано-глинистих порід зцементовані льодом у монолітну масу; 2) пластичномерзла - коли пори порід заповнені льодом і водою, температура коливається від -0,1 до 0,7°С; 3) сипкомерзлі - піщані і гравелисті породи,, не зцементовані льодом через нестачу вологи.

В районах вічної мерзлоти спостерігаються такі мерзлотні (кріогенні) явища: нальоди, горби випинання, термокарст, соліфлюкція, марі та ін.

Нальоди утворюються внаслідок промерзання діяльного шару і виникнення напруги в поровій воді талого грунту. В мерзлих породах з’являються тріщини, через які вода під тиском виривається на поверхню землі і замерзає. Розміри їх досягають десятків тисяч квадратних метрів. Головними заходами боротьби з цими явищами е перехоплення і відведення поверхневих і підземних вод, влаштування мерзлотних поясів-завіс, снігозатримання, спорудженая закритих дренажів.

Горби випинання утворюються внаслідок проникнення підземних вод в товщу порід і наступного II замерзання. Такі горби сезонного випинання досягають 2...Зм. Багаторічні горби (гідролаколіти) бувають 25 м заввишки і кількасот метрів у діаметрі.

Термокарст - являє собою різні форми просідання і провалів поверхні землі внаслідок витавання підземного льоду при зміні умов теплообміну.

Соліфлюкція - це сповзання на схилах водонасичених порід, що відтали, по покрівлі мерзлих під дією сили тяжіння. При ухилі 7...10° явища близькі за характером до зсувів.

Марями називають заболочені низинні ділянки, що утворюються при відтаванні верхнього шару.

Криогенні явища - це серйозна небезпека для будівель і споруд. Деформації в конструктивних елементах останніх виникають внаслідок нерівномірного пучіння, відтавання ґрунтів і видавлювання їх із-під фундаментів, сповзання на схилах, утворення нальодів в підвалах, підземних каналах, комунікаціях. Все це потребує застосування заходів щодо забезпечення стійкості і нормальної експлуатації споруд при будівництві їх на піщано-глинистих ґрунтах.

Для боротьби з пучінням передбачають осушення ґрунтів, зниження рівня підземних вод, влаштування протипучинних зворотних засипань, збільшення навантаження на фундаменти.

В районах вічної мерзлоти застосовують різні методи будівництва. Коли підвалинами споруд е скелясті або крупноуламкові породи, будівництво ведеться без врахування вічної мерзлоти. При спорудженні на піщано-глинистих ґрунтах будівель без опалення передбачають збереження порід постійно в мерзлому стані (шляхом влаштування підпілля, що провітрюється, вентиляційних каналів, застосування стовпових фундаментів). Застосовують також різні конструктивні засоби з метою пристосування будівель до нерівномірних осідань при відтаванні, а також штучне відтавання і зміцнення ґрунтів перед початком будівництва.