Геологические и инженерно-геологические процессы и явления.

Геологические процессы и явления на поверхности земной коры являются результатом геологической деятельности воды, ветра, организмов и т.д. Проявляются они в верхней части земной коры и оказывают определенное влияние на здания и сооружения. Инженерные сооружения, как и техногенная деятельность человека, в свою очередь, воздействуют на земную кору и тоже вызывают геологические процессы, которые называют инженерно-геологическими. Природные геологические и инженерно-геологические процессы по своему происхождению и содержанию сходны и взаимно обусловлены. Главным природным фактором, определяющим развитие инженерно-геологических и геологических процессов, является среда их возникновения, то есть горные породы. Устойчивость любой строительной площадки должна рассматриваться в зависимости от того, какими породами она сложена.

Инженер-строитель при изучении процессов особое внимание должен уделять причинам их возникновения, развитию во времени, мероприятиям по борьбе с ними, а также оценивать и прогнозировать пагубное воздействие на окружающую природную среду.

Движение масс горных пород на склонах рельефа

 

Горные породы, слагающие склоны, очень часто находятся в неустойчивом положении. При определенных условиях и под влиянием гравитации они начинают смещаться вниз по склонам рельефа. В результате этого возникают обвалы, осыпи, оползни, сплывы, оплывины и т.д.

Осыпи образуются в горных районах, где развиты скальные породы, которые под влиянием процессов выветривания разрушаются и скатываются к основанию склонов. Движение осыпей происходит по мере накопления обломков, при обильном увлажнении и других причин. При малых осыпях прибегают к расчисткам от них дорог, сооружений, при больших применяют улавливающие и подпорные стенки.

Курумы – скопление крупных обломков, глыб, разрушенных скальных пород на пологих склонах и днищах долин (каменные россыпи).

Обвал – отчленение от основного массива на крутом склоне или откосе блоков, глыб, обломков, их быстрое перемещение под действием сил гравитации, сопровождающееся падением, опрокидыванием, скалыванием, раскалыванием.

Для предупреждения обвалов на скальных склонах, при разработке карьеров строительных материалов, в строительных котлованах, практикуются искусственное обрушение, забивка трещин цементом, подпорные стенки, уполаживание склонов и т.д.

Оползень – масса горных пород, сползшая или медленно сползающая вниз по склону, откосу, под действием гравитации на более низкий уровень без потери контакта со склоном.

Наиболее часто оползни возникают в глинистых породах (на глинистых склонах). Причиной возникновения оползней, как правило (чаще всего), бывают чрезмерная перегрузка и обводнение склонов, подрезка их в нижней части и дополнительное давление на породы, слагающие склон. В каждом оползне следует различать элементы оползня (плоскость скольжения, оползневое тело, состояние слагающих оползень пород и т.д.).

Противооползневые мероприятия при всей их сложности должны носить в основном предупредительный характер, их необходимо осуществлять комплексно, т.е. направлять на уничтожение отрицательного действия всех факторов, вызывающих процесс.

Сплывы (оплывины) – выражаются в оплывании земляных масс в откосах выемок, насыпей, сложенных преимущественно суглинками и глинами. Сплывы захватывают лишь самые поверхностные части склонов и откосов (дернину, почву, верхний слой выветрившейся породы).

Геологическая деятельность подземных вод

 

На строительство пагубное влияние оказывает разрушительная работа подземных вод, что приводит к снижению устойчивости горных пород, залегающих под фундаментами зданий и сооружений. Из разрушительных процессов наибольшее значение имеют суффозия, карст, плывуны.

Карст – процесс растворения и выщелачивания растворимых горных пород (карбонаты, сульфаты, галоиды) поверхностными и подземными водами и явления вследствие этого возникающие (карстовые пустоты, пещеры, воронки, кары и т.д.).

Рис.6.1. Зоны карстового массива в известняке: I - зона развития карста, II - зона цементации, УГВ – уровень грунтовых вод.

 

По условиям залегания пород по отношению к поверхности земли выделяется два типа карста: открытый (поверхностный) и закрытый (глубинный). В зависимости от состава пород выделяются литологические типы карста: карбонатный, сульфатный, соляный.

Возникновение и развитие карстового процесса обусловлено, кроме способности пород к растворению, наличием приточной воды, степени её минерализации, геологическим строением участка застройки, рельефом, трещиноватостью пород и т.д.

Возможность возведения сооружений в карстовом районе регулируется сроком их службы, составом и скоростью выщелачивания пород, степенью их пораженности процессом. При этом необходимо различать карст действующий (активный) и погребенный (пассивный). При изменении гидрогеологических условий пассивный карст может стать активным.

Строительство в карстовых районах осуществляется только после проведения ряда конструктивных инженерных мероприятий, направленных на повышение устойчивости и прочности пород.

Суффозия (подкапывание) – процесс вымывания мелких частиц из горных пород потоком фильтрующейся воды.

Рис. 6.2. Суффозионная полость (1) в лессовых породах, залегающих на склоне рельефа, сложенном известняками-ракушечниками (2), 3-здания

 

Возникновению суффозии благоприятствуют следующие условия:

а). D/d>20, где D и d – диаметра двух смежных фракций грунта;

б). Наличие турбулентного движения воды, которые в песках возникает при градиентах напора I>5, при этом критическая величина гидравлического градиента, определяющая возможность возникновения механической суффозии по формуле:

,

где - удельный вес песка, n – его пористость в долях единицы.

в). Если отношение коэффициента фильтрации двух контактирующих слоев будет
равно 2;

г). Суффозия протекает в недоуплотненных до максимальных значений грунтах;

д). Возникновение значительных сил гидродинамического давления

,

где - плотность воды.

Часто суффозии предшествует или сопутствует процесс выщелачивания или выноса в растворенном виде легко- и среднерастворимых солей, т.е. суффозия тесно связана с карстом. Это позволяет говорить о суффозионно-карстовых процессах и явлениях. Такому процессу подвержены глинистые пески, лессовые и другие породы, которые залегают на склонах речных долин, в откосах строительных котлованов, в подземных выработках (метро, шахты и др.). В результате суффозии в породах появляются пустоты, толщи пород уплотняются, а это приводит к оседанию поверхности земли и деформациям построенных на этих участках зданий и сооружений. При инженерно-геологических исследованиях строительных площадок необходимо выявить способность пород к суффозии. Выбор того или иного приема строительства зависит от геологического строения, геологической обстановки строительной площадки, типа и вида грунтов оснований, характера засоления, конструкции объекта и технических возможностей строительной организации.

Основой всех мероприятий является прекращение различными путями фильтрации воды.

Плывуны – водонасыщенные пески, супеси и другие рыхлые скопления, способные переходить в текучее состояние при движении воды или механических воздействиях (вскрытии выработками, канавами, скважинами, котлованами и др.). Переход пород в плывунное состояние обусловлен отсутствием в них структурных связей или таким их ослаблением, что они не способны противостоять напряжениям, вызывающим их движение. Основной причиной плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которая создается в результате давления при вскрытии котлована. Давление воды обуславливает движение частиц песка в сторону разгрузки, т.е. котлована, частицы песка временно переходят во взвешенное состояние.

Плывунные пески сильно осложняют строительство – затапливают котлованы, приводят к провалам поверхности земли, нетерпимы к вибрационным и динамическим воздействиям. При изысканиях определяют наличие плывунных песков, их типы, геологическое залегание. При строительстве на плывунных грунтах отказываются от устройства котлованов, применяют свайный вариант фундаментов, подошву фундамента не доводят до слоя плывунных пород. В выборе метода борьбы важнейшее значение имеет вид плывуна.

 

Просадочные процессы

Просадочность – явление, характерное в основном для лессовых пород, связанное с воздействием воды на структуру грунта с последующим её разрушением и уплотнением даже под весом самого грунта или же при суммарном давлении собственного веса и веса сооружения.

Интенсивность уплотнения зависит от характера структурных связей, их прочности, состава, содержащихся солей, влажности, пористости пород, величины нагрузки (в том числе и собственного веса на уплотняющуюся толщу). В зависимости от этих действия факторов процесс уплотнения может происходить быстро или затягиваться на продолжительное время. Этим объясняется, что просадки в отдельных случаях начинаются значительно позже увлажнения породы.

В зависимости от величины просадки в условиях действия собственного веса грунта при замачивании просадочные грунты подразделяют на 2 типа: I тип – просадка от собственного веса грунта отсутствует или не превышает 5см, II тип – просадка от собственного веса превышает 5см. Просадочные свойства чаще всего проявляются в верхней части лессовых пород. Поэтому для строительной оценки важную роль играет величина просадки, т.е. величина опускания поверхности земли.

Современные способы строительства на лессовых породах позволяют успешно противодействовать возникновению просадочных явлений, особенно в породах I типа. Наибольший эффект борьбы с просадочностью достигается при комбинировании 2-3 различных мероприятий.

Выбор мероприятий производят на основе технико-экономического анализа, в число факторов которых входят:

- тип просадочности;

- мощность просадочных толщ и величина относительной просадки;

- конструктивные особенности зданий и сооружений.

Все методы подразделяют на три группы: 1) водозащитные; 2) конструктивные; 3) устраняющие просадочные свойства пород.