Дислокации (в зависимости от вида тектонических движений)

складчатые (без разрыва сплошности) разрывные

моноклиналь складка (антиклиналь и синклиналь) антиклиналь

сбросы взбросы горсты грабены

Разрывные дислокации образуются в результате интенсивных тектонических движений, сопровождающихся разрывом сплошности пород и смещением слоев относительно друг друга. Амплитуда смещения может быть от нескольких сантиметров до километров при ширине трещин до нескольких метров.

Моноклиналь характеризуется общим наклоном слоев к горизонту.

Складки – волнообразные изгибы пластов горных пород различной формы и величины: обращенные выпуклостью вверх – антиклиналь, и обращенные выпуклостью вниз – синклиналь.

Складки и их элементы: а) антиклиналь; б) синклиналь;

К- крыло; О- ось складки; С- седло; М- мульда.

Крылья – боковые части складки.

Разрывные нарушения возникают в различных природных условиях и поэтому имеют самые разнообразные формы. Наиболее часто встречаются сбросы и надвиги.

сброс ступенчатый сброс ступенчатый сброс

горст грабен грабен

а) неподвижная часть толщи; b) смещенная часть; в) взброс; с) плоскость разрыва.

Сброс – разрывное нарушение, сопровождающееся более или менее вертикальным перемещением масс горных пород по поверхностям разрыва.

Надвиг – разрывное нарушение, сопровождающееся надвиганием одной части горных пород на другую по поверхности надвига.

Изменение свойств пород в любом геологическом теле подчиняется закономерностям, носящим детерминированный или случайный характер.

При строительстве зданий и сооружений значительное осложнение вызывает наличие трещиноватых пород. Большинство жестких скальных пород, твердых глин оказывается пораженными трещинами. Трещины разнообразны по характеру, протяженности, размерам, происхождению.

Трещиноватость толщи обусловливается сетью сообщающихся между собой трещин, при этом вся толща членится на отдельные блоки (20-40см).

Классы трещин

I класс, трещины формирования (отдельности)		II класс, трещины оползания, закола, усыхания		III класс, вторичные
возникают при кристаллизации магматических очагов. Массив пород оказывается разбитым микротрещинами на отдельные части (матрацевидная, столбчатая, плитчатая)		возникают в результатетектонических явлений, деформаций( при изгибе, растяжении, сколе массивов горных пород), вследствие происходящих процессов на поверхности либо вблизи её		возникают в результате процессоввыветривания (физического, химического, биологического), расширяют трещины I, II классов

Наличие трещин значительно снижает прочностные и деформационные свойства пород в массиве, увеличивает их водопроницаемость, уменьшает морозостойкость и обусловливает применение специальных мероприятий для обеспечения устойчивости зданий и сооружений.

4. Процесс образования грунтов.

Изменение горных пород под влиянием физического и химического действия различных агентов носят название процессов выветривания.

Главным фактором физического (механического) выветривания являются резкие колебания температуры и действия мороза. Физическое выветривание разрушает породу на более мелкие отдельности, не нарушая её минералогического состава. При химическом выветривании, происходящем между отдельными минералами и обусловленном главным образом новыми условиями давления и деятельностью воды (связной и свободной), основная порода распадается на чрезвычайно мелкие частицы, часто коллоидного размера (менее 1 мк). Измельчённость продуктов химического выветривания является их характерным свойством. В результате химического выветривания горных пород получаются различные глины с большим содержанием слюды, с примесью кварца, оксида железа, хлорита и других минералов.

Продукты химического выветривания образуются главным образом в достаточно влажном климате; они отличаются большой подвижностью во влажном состоянии и являются связно-неподвижными в сухом состоянии.

Продукты физического выветривания обладают наибольшей подвижностью в совершенно сухом или насыщенном водой состоянии.

Конечные продукты выветривания или остаются на месте своего первоначального образования, или переносятся водой и воздухом на большее или меньшее расстояние, образуя грунтовые отложения.

В зависимости от участия в формировании грунтовой толщи тех или иных агентов выветривания можно различать следующие виды отложений.

Элювиальные отложения (отложения продуктов выветривания горных пород, залегающие на месте своего первоначального образования) отличаются угловатой неокатаной формой частиц, неотсортированностью их по размерам, разнообразным минеральным составом и различной мощностью залегания на материнской породе. По петрографическому составу элювиальные отложения весьма близки к исходной материнской породе. Элювий представляет собой выветрелый слой скальных пород, иногда сильно измельченный и обладает неравномерной сжимаемостью.

При переносе продуктов выветривания водными потоками происходит сортировка материала по крупности и, кроме того, изменяется как химический состав перемываемых отложений, так и характер отдельных частиц, которые измельчаются и приобретают окатанную форму.

Отложения водных потоков разделяют на:

– делювиальные, перемещаемые вне постоянных русел под действием силы тяжести и дождевыми и снеговыми водами по склонам той же возвышенности;

– аллювиальными, переносимые постоянными водными потоками (ручьями, реками и пр.) на значительные расстояния от места их первоначального залегания;

– дельтовые, откладываемые при впадении постоянных потоков в водные бассейны.

Делювиальные – представляют собой рыхлые неустойчивые, часто подвергающиеся оползанию образования, неоднородные по своему составу и залегающие на склонах слоем разной мощности, увеличивающейся к подножью склона.

Аллювиальные – образуют значительные толщи грунтов, измеряемые часто десятками и сотнями метров. Этим отложениям свойственны слоистость, чередование песчаных и глинистых слоёв с частым их выклиниванием и наличием галечных отложений. Их свойства зависят от скорости осаждения, режима грунтовых вод, частоты спадов воды и других обстоятельств их формирования.

Дельтовые и лагунные – характеризуются наличием большого количества тонких пылеватых частиц в мягких глинистых и илистых слоях, малоуплотненных, с большим содержанием воды, обусловленным набухаемостью их коллоидной части. Такие грунты часто залегают очень мощными толщами, представляют сильно сжимаемые пластичные массы, требующие принятия особых искусственных мер для уплотнения при воздействии на них капитальных сооружений.

Грунтовые образования, возникшие в результате действия ледникового покрова четвертичного оледенения (разрушение массивных горных пород, перенос продуктов их выветривания, сортировка, уплотнение и территориальное размещение).

Виды грунтов ледникового происхождения:

– моренные (валунные) глины и суглинки, которые скапливаются главным образом в придонной части ледника и уплотненные его весом;

– водно-ледниковые – (флювиогляциальные) приносимые ледником в окаймляющие его области и перемываемые талыми водами, главным образом разнообразные пески и галечники;

– озерно-ледниковые (ленточные глины, суглинки, супеси) характеризуются ясно выраженной слоистостью, обусловленной сезонным выпадением переносимых талыми водами осадков, которые в зимнее время отстаиваются в обширных ледниковых озерах.

Эоловые отложения образуются под действием ветра, который переносит на весьма значительные расстояния мельчайшие продукты выветривания горных пород из пустынных областей в соседние области. Такие отложения являются однородными по составу, недоуплотнённые со значительным содержанием мелких пылеватых частиц.

Морские отложения накапливаются на дне морей за счет материала, приносимого водными потоками. На их состав и свойства большое влияние оказывают растительные и животные организмы, населяющие моря, останки которых способствуют накоплению известковых, мергелистых и кремнистых образований (глины, илы). Характеризуются весьма различными свойствами в зависимости от возраста и всей истории их формирования.

ЛЕКЦИЯ 2

Основы гидрогеологии

1. Происхождение подземных вод.

2. Виды подземных вод.

3. Грунтовые воды.

4. Трещинные воды.

5. Карстовые воды.

6. Напорные воды.

7. Химический состав подземных вод.

1. Происхождение подземных вод.

Подземные воды – воды находящиеся в верхней части земной коры и залегающие ниже поверхности земли. Исследованием подземных вод занимается гидрогеология.

Подземные воды находятся в порах, трещинах или пустотах горных пород, обладающих водоотдачей. Это вода является свободной, способной перемещаться под влиянием силы тяжести.

Классификация подземной воды по происхождению

инфильтрационные остаточные ювенильные

С остаточными и ювенильными типами воды в строительстве почти никогда не приходится встречаться.

Остаточные (погребенные или реликтовые) – воды бывших морских водоемов. Они находятся в залегавших на морском дне осадках и сохраняются в них после отступления моря. Отличаются повышенной минерализацией (часто представляют собой рассолы) и на очень больших глубинах.

Ювениальные – проникают в поверхностные горизонты земной коры из недр Земли и возникают за счет конденсации паров воды, выделяемых магмой. В чистом виде не встречаются. Смешиваясь с пресными подземными, они дают начало минеральным водам, которые обычно отличаются повышенной температурой.

Инфильтрационные – образуются в результате инфильтрации (просачивания) выпадающих на поверхность земли атмосферных осадков в глубь земли.

Часть атмосферных осадков (поверхностный сток) стекает в водотоки и водоёмы, часть инфильтруется в землю и образует скопления подземных вод. Подземные воды в виде источников и ключей питают открытые водоёмы и водотоки.

Верхняя часть земной коры делится на: зону аэрации и зону насыщения.

В зоне аэрации происходит вертикальное просачивание атмосферной влаги или вод открытых водоёмов и водотоков до уровня грунтовых вод. В этой зоне, как правило не все поры и пустоты заполнены водой. Мощность зоны аэрации определяется глубиной залегания уровня грунтовых вод от поверхности земли. Уровень грунтовых вод зависит от рельефа местности и климатической обстановки.

Ниже уровня грунтовых вод вся толща грунтов находится в состоянии полного водонасыщения – зона насыщения.

В зоне аэрации вода находится в следующих состояниях:

– водяной пар;

– гигроскопическая вода;

– плёночная вода;

– свободная (гравитационная) вода.

2. Виды подземных вод.

Парообразная вода находится в зоне аэрации в порах, не занятых водой, и движется вследствие различия упругости паров. Содержание в грунтах малое (около 0,001 веса сухого грунта). Играет очень большую роль во влажностном режиме почвенных и лежащих ниже (в зоне аэрации) горизонтов грунтов, особенно в районах степей и пустынь.

Гигроскопическая вода прочно связана с поверхностью частиц. При связывании её с породой выделяется тепло. Это отличает гигроскопическую воду от других видов связанной воды. Она не может передвигаться с частицы на частицу, а лишь отрываясь от частицы, переходит в пар. Она может быть образована либо за счет простого смачивания частицы грунта водой, либо за счёт поглощения сухим грунтом паров воды, находящихся в порах грунта. Она всегда находится в равновесии с упругостью водяного пара порового воздуха, уменьшаясь или увеличиваясь в зависимости от уменьшения или увеличения влажности воздуха.

Плёночная вода образует на поверхности частиц плёнку, толщина которой зависит от вещественного состава и крупности частиц. Она передвигается в породе с частицы на частицу, из участков с большей толщиной плёнки в участки с меньшей её толщиной. Движение плёночной воды не зависит от силы тяжести, совершается в различных направлениях, играет важную роль в формировании свойств глинистых грунтов и может явиться причиной образования в них морозных пучин.

Свободная вода в зоне аэрации находится либо в виде капилярно-подвешенной воды, либо медленно продвигается вниз (просачивающееся состояние) и доходит до уровня грунтовых вод. Если при своём движении вниз свободная вода в зоне аэрации встречает небольшие линзы глинистых пород (водоупор), то скапливаясь над ними, она образует верховодку. Режим верховодки целиком зависит от климатических условий, и в первую очередь от соотношения количества выпадающих осадков и испарения. К верховодке относят также подземные воды, скапливающиеся над верхним слоем вечномёрзлых грунтов. К особому виду верховодки относят также воды, скапливающиеся в низинах в верхних горизонтах почв за периоды избыточного увлажнения.

По условию залегания и особенностям режима подземные воды инфильтрационного происхождения в зоне насыщения разделяют на следующие типы:

– грунтовые;

– трещинные;

– карстовые;

– напорные (артезианские).

3. Грунтовые воды.

Грунтовые воды – воды первого от поверхности земли постоянно существующего водоносного горизонта в различных водопроницаемых пористых породах (песок, гравий, галька). Снизу он ограничен слоем водоупорных пород, сверху – уровнем грунтовых вод (зеркало грунтовых вод). Уровень грунтовых вод – уровень, до которого вода поднимается в скважинах или любых горных выработках.

Непосредственно над уровнем грунтовых вод возникает горизонт капиллярной оболочки. Мощность зоны капиллярного поднятия определяется размерами пор грунта: чем меньше размер пор, тем выше капиллярное поднятие над уровнем грунтовых вод. Поры в грунте имеют переменную ширину, поэтому только самая нижняя часть глинистой толщи непосредственно над уровнем грунтовых вод оказывается полностью насыщенной водой (1-2 м); выше капиллярная вода заполняет только самые узкие поры, а более широкие остаются заполненными воздухом. В песках высота капиллярного насыщения зависит от крупности и степени загрязнения их пылеватыми и глинистыми частицами, но в среднем редко достигает 0,5 м.

Поверхность капиллярной оболочки во времени не остаётся постоянной и изменяется, следуя за изменением уровня грунтовых вод.

Особенности грунтовых вод:

1. Они безнапорные, имеют свободную поверхность воды. Лишь при наличии в пределах водоносного слоя водоупорных пород, они приобретают напор, но напор этот, как правило, имеет небольшую величину и носит местный характер.

Схема создания местного напора в грунтовых водах

1.-уровень грунтовых вод; 2.-линза водоупорных пород; 3.-местный напор грунтовых вод.

2. Так как грунтовые воды не имеют сплошной кровли из водоупорных пород, то область их питания за счёт инфильтрующихся в грунт атмосферных осадков совпадает с областью их распространения. Это имеет важное практическое значение, в особенности при проектировании дренажных устройств (при определении величины возможного понижения уровня грунтовых вод, расчёта их водопропускной способности).

3. Колебания уровня грунтовых вод, их водообильность и химический состав воды носят сезонный характер. При этом время и интенсивность воздействия метрологических факторов на режим грунтовых вод определяются в основном глубиной их залегания от поверхности земли, рельефом местности и характером растительности: чем глубже располагаются грунтовые воды и чем менее благоприятны условия инфильтрации атмосферных осадков грунта, тем слабее сказываются они на режиме грунтовых вод. По мере движения с севера на юг грунтовые воды залегают всё глубже от поверхности земли и всё более минерализуются.

4. Грунтовые воды обычно стекают в открытые водоёмы и водотоки, составляя значительную часть запаса воды водоёмов или расхода рек. Лишь в период высокого стояния уровня воды в водоёмах или в водотоках, связанных с весенними паводками, происходит подпор грунтовых вод, и они пополняют свои запасы за счёт вод поверхностных. По мере спада воды уровень грунтовых вод доходит до своего обычного положения.

вод

Эрозионная сеть (овраги, долины рек) является природной дренажной сетью, определяющей высотное положение уровня грунтовых вод. Степень дренирования территории при этом будет тем больше, чем глубже врез эрозионной сети в толщу пород.

Для выявления характера поверхности грунтовых вод составляют карты гидроизогипс.

Гидроизогипсы – линии, соединяющие точки с одинаковыми абсолютными или относительными отметками уровней грунтовых вод. Эти линии аналогичны горизонталям рельефа местности и подобно им отражают рельеф зеркала вод. Форма поверхности грунтовых вод зависит от: состава водовмещающих пород и их водопроницаемости, рельефа, условий залегания и дренирования. Для построения карты гидроизогипс замеряют уровни грунтовых вод в скважинах, расположенных обычно по сетке. Замеры уровней воды должны быть единовременными. Абсолютные отметки уровня подземных вод Н_в в скважинах определяют по формуле:

Н_в = Н_п.з. – h.

Полученные абсолютные отметки надписывают над каждой скважиной и методом интерполяции строят гидроизогипсы.

С помощью карты гидроизогибс (совмещённой с топоосновной) можно определить направление и скорость движения грунтового потока в любой точке. Для определения направления проводят перпендикуляр к гидроизогипсе в данной точке. Грунтовый поток двигается по нормали в сторону меньших отметок. Для определения уклона потока грунтовых вод разность отметок двух смежных гидроизогипс делят на расстояние между ними (по нормали) в соответствии с масштабом карты. Чем выше степень сгущения гидроизогипс, тем при прочих равных условиях больше уклон поверхности потока подземных вод, а следовательно, выше и скорость движения. Используя положение гидроизогипс, в любой точке карты можно определить глубину залегания грунтовых вод (по разности отметок горизонталей и гидроизогипс).

Нередки случаи, когда грунтовые воды питаются нижележащими напорными водами.

4. Трещинные воды.

Являются одной из разновидностей грунтовых вод, но обладают целым рядом особенностей. Грунтовые воды циркулируют в порах грубообломочных грунтов (песок, гравий, галька), трещинные воды приурочены к трещинам разнообразных скальных пород.

В грубообломочных породах поры сообщаются между собой в различных направлениях и образуют равномерно распределённую в объёме породы сеть поровых ходов, по которым циркулирует вода. Характер движения воды обладает определённой закономерностью во всём объёме породы.

Трещинные воды не обладают строгой закономерностью в распространении, так как в отличие от пористости трещины, как правило, не образуют сплошных сообщающихся между собой ходов, равномерно распределённых по всему объёму скальных пород. Распространяясь по трещинам горных пород, воды образуют водоносные горизонты, форма которых в значительной степени определяется типом трещиноватости и формой тектонических структур, определяющих условия их залегания и направление трещиноватости пород.

Условия распространения и закон движения подземных вод в трещиноватых скальных породах изучены пока очень слабо. Есть закономерности формирования и режима трещинных вод применительно к частным случаям. Трещинные воды можно разделить на собственно трещинные воды, связанные с массивами изверженных пород, и на трещинно-пластовые воды, приуроченные к пластам скальных пород осадочного происхождения.

5. Карстовые воды.

Когда подземные воды движутся в трещинах легкорастворимых пород (гипс, известняки и др.), то вместо водоносной системы, состоящей из сети трещин, возникают карстовые пустоты – каналы крупных размеров, являющиеся следствием растворяющего действия воды на породу.

Процесс растворения пород по трещинам протекает неравномерно, образуется сложная система подземных полостей, пещер и каналов. Заполняющие эти каналы и пещеры подземные воды называют карстовыми.

Если карстовые пустоты находятся ниже базиса дренирования в данном районе, то они полностью заполнены водой. Выше уровня дренирования карстовые пустоты заполнены водой лишь частично.

Если поверхность земли слагается мощной толщей карстующихся пород и если в такой толще нет водонепроницаемых прослоек, то карстовые пустоты в них создают благоприятные условия для интенсивного поглощения атмосферных вод.

Вследствие высокой водопроводимости карстовых массивов, поглощаемые атмосферные осадки быстро передвигаются к местам скопления карстовых вод, откуда они выходят на поверхность земли в виде карстовых источников. Такая особенность питания приводит к резким колебания уровня и расхода карстовых вод в течение года: резкому повышению дебита и уровня воды в период выпадения атмосферных осадков и истощению вод в засушливые периоды.

6. Напорные (артезианские) воды

Это воды, приуроченные к водоносному пласту, залегающему между двумя водоупорными пластами. Артезианские бассейны обычно связаны с различного рода тектоническими структурами, но чаще всего с тектоническими впадинами платформ и с синклинальными и разрывными нарушениями горных пород. Если вскрыть водоносный горизонт буровой скважиной, то вода поднимется выше кровли пласта.

В каждом водоносном горизонте артезианского типа различают:

1. область питания – площадь в пределах которой происходит инфильтрация атмосферных осадков в грунт. Часто артезианские воды формируются за счёт грунтовых вод;

2. область разгрузки, где артезианская вода выходит на поверхность земли в виде восходящих ключей. Иногда выходящие на поверхность земли напорные воды питают грунтовые.

Артезианские воды залегают на больших глубинах и имеют большие площади распространения.

7. Химический состав подземных вод.

Химический состав подземных инфильтрационных вод обычно меняется в зависимости от времени года, кроме напорных водоносных горизонтов, приуроченных к большим синклинальным прогибам.

В строительной практике знание химзма подземных вод необходимо для выявления степени их агрессивности по отношению к тем или иным материалам, в частности к бетону.

Наиболее приемлемой считается вода, имеющая реакцию, близкую к нейтральной, не особенно жёсткая, не имеющая свободной углекислоты и содержащая малое количество сульфатов.

Вода имеет нейтральную реакцию при рН = 7.

Жесткость воды обусловливается присутствием в ней солей щелочных металлов кальция и магния.

Если содержание свободной углекислоты в воде будет больше, чем это нужно для равновесия содержащегося в воде НСО₃ с твёрдым карбонатом кальция СаСО₃, то при соприкосновении такой воды с материалом, содержащим СаСО₃ (известняк, бетон и др.) последний начнёт растворятся. Та часть свободной углекислоты, которая при этом израсходуется на реакцию с углекислым кальцием называется агрессивной углекислотой.

Содержание в подземной воде SO₄ в количестве более 200 мг/л делает эту воду агрессивной, в частности, по отношению к бетону. При воздействии такой воды на бетон содержащиеся в ней сульфаты взаимодействуют с известью. В результате этого взаимодействия в порах бетона образуются кристаллы гипса, в процессе роста которых бетон разрушается.

ЛЕКЦИЯ 3

Инженерно-геологические процессы,

связанные с деятельностью поверхностных вод

1. Подмыв и разрушение берегов морей и озёр.

2. Эрозионные явления.

3. Селевые явления.

4. Болота, заболоченные территории.

1. Подмыв и разрушение берегов морей и озёр.

Геологическая деятельность моря сводится в основном к разрушению морского берега под действием прибоя, что приводит в конце концов к сносу всех выступающих элементов суши, её выравниванию и образованию, таким образом, обширных равнин (абразия).

Разрушение берегов морей вызвано как непосредственным ударом волн и одновременно взвешиванием массива при их набеге, так и возникающими при этом сжатием воздуха в трещинах породы и вакуумными явлениями. (волны способны перемещать во взвешенном в воде состоянии глыбы породы весом до 100 т и более).

Интенсивность абразии определяется:

– степенью открытости водного бассейна;

– глубиной прибрежной зоны, определяющей силу волн;

– направлением господствующих ветров;

– климатическими особенностями района;

– прочностью и гидростойкостью пород, подвергающихся волновому воздействию.

При длительном стоянии горизонта моря на одном уровне или при отсутствии береговых течений обломочные продукты разрушения берегов скапливаются непосредственно у береговой линии, образуется зона, сложенная обломочными продуктами (пляжи).

При наличии береговых течений возможен унос продуктов разрушения берегов иногда на весьма значительные расстояния.

Проявление абразии часто ведёт к мощному развитию в береговой полосе оползневых явлений.

Берега искусственно создаваемых водохранилищ часто сложены относительно малоустойчивыми породами, могут быстро разрушаться (абразия в искусственной обстановке). При этом под непосредственной угрозой могут оказаться жилые кварталы городов, промышленные и транспортные объекты.

Меры защиты берегов от подмыва разделяют на:

– профилактические;

– капитальные.

Профилактические мероприятия осуществляются с целью предупреждения развития опасных явлений, с целью предупреждения нарушения равновесия в развитии геологических процессов:

– охрана существующих пляжей;

– охрана берегоукрепительных сооружений;

– стационарные наблюдения, направленные на предупреждение аварийного состояния участков и сооружений в береговой зоне.

Пляж – главная природная защита берегов, поэтому непременное условие защиты берегов от подмыва и разрушения это сохранение рыхлого материала в береговой зоне и вдоль береговых направленных потоков наносов, участвующих в формировании пляжа.

Капитальными мероприятиями являются строительство сооружений и береговых укреплений как для непосредственной защиты берега от прямого воздействия на них волноприбоя, так и для сохранения и наращивания в прибрежной зоне рыхлого материала, слагающего пляж и аккумулятивную отмель.

Защитные сооружения берегоукрепления: волноотбойные стенки, ряжи, бетонные плиты, габионы, тетраподы, каменные наброски, мощение берега и откосов камнем, одерновка откосов, молы, волноломы, дамбы и др.

Защитные сооружения наносоудерживающие: буны, донные волноломы (затопленные), волноломы.

В практике укрепления берегов, особенно морских, рационально сочетание сооружений первого и второго типов с постоянным осуществлением профилактических мер.

Инженерно-геологические исследования для прогноза и оценки условий строительства сооружений в районах развития процессов абразии должны быть комплексными. Должны предусматривать изучение всех природных факторов, определяющих развитие этих процессов.

2. Эрозионные явления.

Эрозия – процесс размыва горных пород текучей водой. Эрозия находит проявление в русле постоянных и временных потоков, вызываемых атмосферными осадками.

Результатом начальной ускоренной линейной эрозии, размыва склонов и водоразделов потоками дождевых и талых вод, являются овраги. Овраги наиболее широко распространены в лесостепной и степной зонах.

Овраги глубоко расчленяют местность, уничтожая полезные площади на огромных пространствах, превращая их в неудобные для строительных целей. Огромный вред приносят дорогам и линейным сооружениям. Овраги вскрывают и дренируют водоносные горизонты и истощают ресурсы подземных вод. Создавая расчленённый рельеф и увеличивая уклоны его поверхности, вызывают энергичное развитие делювиального процесса (перемещение отложений вне постоянных русел водой). Овражные выносы перегораживают дороги, каналы, реки.

Факторы определяющие условия эрозионных процессов на склонах и водоразделах: геологическое строение района, его рельеф, климатические условия, растительный покров, хозяйственная деятельность человека.

Образование оврагов связано с залеганием легко размокаемых и размываемых горных пород, другие факторы способствуют и ускоряют развитие склонов.

Состав и свойства горных пород определяют морфологические особенности оврагов.

Чем больше водосборные площади и чем выше они расположены относительно местных базисов эрозии, чем выше и круче склоны, тем интенсивнее развиваются эрозионные процессы.

Растительный покров сдерживает эрозию, особенно древесная и кустарниковая растительность.

Влияние инженерной и хозяйственной деятельности человека проявляется в нарушении режима поверхностного стока, в разрушении защитного растительного покрова на склонах и водоразделах, в нарушении технических условий строительства сооружений.

Эрозия в водотоке выражается в углублении русла – донная или глубинная, или в расширении долины за счет подмыва берегов водотока – боковая эрозия. Интенсивность эрозии зависит от прочности размываемых пород и силы потока, от характера и количества влекомых водотоком наносов, способных производить истирающее воздействие на ложе водотока.

Углубление русел водотоков в результате проявления донной эрозии, как правило, приводит к развитию на берегах водотока оползневых явлений и к обрушению самих берегов.

Противоэрозионные мероприятия:

1. Лесомелиоративные работы – устройство полезащитных лесных полос, лесных участков и других форм лесонасаждений для регулирования поверхностного стока, изменения водного режима территории и непосредственного укрепления поверхностных горизонтов почв и горных пород. Посев многолетних трав по склонам – залуживание эрозионных склонов.

2. Строительство водоулавливающих, водоудерживающих и водорегулирующих сооружений для перехвата и замедления поверхностного стока, а также для увеличения инфильтрации поверхностных вод (системы нагорных и водоотводных канав и лотков, водоудерживающих валов и каскады водоудерживающих и фильтрующих дамб и плотин, устраиваемых в пределах водосборного бассейна. Водоёмы, создаваемые с помощью дамб и плотин, изменяют уклоны потоков и их скорость, являются наносоуловителями и способствуют инфильтрации поверхностных вод. Это обеспечивает регулирование поверхностного стока.

3. Укрепление участков активного развития размыва засыпкой промоин с последующим мощением камнем, укреплением их габионами, бетонными плитами, каменной наброской, свайными рядами, одерновкой.

4.Строгое соблюдение правил землепользования и агротехники (установление охранных зон, в пределах которых недопустима вырубка леса, распашка земель, горные и строительные работы, выпас скота и др.)

3. Селевые явления.

Сели – происходящие на горных реках и временных водотоках паводки, несущие много твёрдого обломочного материала (глыб, щебня, валунов, гальки, песка) и глинистого мелкозёма. Сели внезапны и кратковременны, проходят, с большими и сравнительно большими течения.

Сели или селевые потоки образуют определённый тип континентальных отложений, называемых пролювиальными. Они обычно слагают конусы выноса, пролювиальные шлейфы и покровы в устьях горных рек, речек и временных потоков, на предгорных равнинах и в межгорных впадинах.

Сели в первую очередь связаны с интенсивным стоком поверхностных (дождевых и талых) вод, которые размывают, смывают и переносят рыхлый материал, накапливающийся в водосборном бассейне горной реки, временного водотока или в какой-то их части.

Условия от которых зависит образование селей:

1. Климатические и микроклиматические условия района, с которыми связано неравномерное распределение осадков, образование ливней, накопление снега и ледников и бурное их таяние в определённые летние периоды.

2. Геоморфологические условия, определяющие размеры и форму водосборных бассейнов, высотное их положение, уклоны поверхностей рельефа и строение долин горных рек и временных водотоков.

3. Геологические условия, определяющие накопление рыхлого материала в водосборных бассейнах или в некоторых их частях, развитие разнообразных геологических процессов (выветривание, гравитационные и др.), участвующих в образовании этого материала, а также древние, новейшие и современные тектонические движения.

4. Деятельность человека, вызывающая нарушение естественных природных равновесий на водосборах.

Выбор мероприятий по защите от селевых явлений должен быть индивидуальный, в зависимости от размера, формы и высотного положения водосборного бассейна, условий водного питания селя, расположения участков и очагов накопления твёрдого материала и других условий формирования селевого паводка.

Селезащитные мероприятия:

1) организация службы режимных наблюдений в пределах водосборного бассейна и селеопасного района;

2) устройство охранных зон;

3) выполнение лесомелиоративных работ;

4) выполнение работ по регуляции поверхностного стока на склонах водосборного бассейна;

5) сооружение регулирующих и улавливающих сооружений в руслах потоков;

6) строительство каналов, селеспусков и других сооружений для организованного пропуска селевых паводков;

7) строительство защитных, ограждающих сооружений;

8) выполнение разнообразных профилактических работ.

4. Болота, заболоченные территории.

Участки земной поверхности, на которых в течение большей части года наблюдается избыток влаги, скапливающейся на поверхности земли или насыщающей почву и подпочвенные горизонты горных пород, и покрытые влаголюбивой болотной растительностью (осока, хвощи, мхи и др.), называют заболоченными. На заболоченных участках мощность болотных отложений мала или они только начинают накапливаться. Участки, где в результате заболачивания происходит накопление растительных остатков и образовался торф, называют болотами.

Болотные отложения относятся к породам особого состава, состояния и свойств и требуют специальных методов исследований и индивидуальной оценки.

В строительном отношении они являются слабыми образованиями, сильно и неравномерно сжимаемыми. При выборе мест расположения сооружений необходимо, по возможности, избегать участков, сложенных такими отложениями.

Проблема освоения заболоченных территорий связана с избыточным их обводнением и распространением слабых, сильно сжимаемых и неустойчивых болотных отложений.

Массовое строительство на заболоченных территориях обычно производят после их осушения, а иногда после планировки отсыпкой или намывом глинистых, песчано-гравийно-галечных и щебенистых пород. При этом повышаются отметки поверхности рельефа, обеспечиваются сток дождевых и талых вод и осушение территорий.

При строительстве сооружений в таких условиях должны применятся все меры, предусматриваемые при возведении зданий и сооружений на сильно и неравномерно сжимаемых породах: армированные пояса, осадочные швы, разрезка зданий на отдельные жёсткие отсеки, полное или частичное выторфовывание, вертикальные дрены, свайные основания.

При подготовке территории для разных видов строительства главная цель осушения – понизить уровень грунтовых вод на осушаемой территории и оградить её от притока поверхностных и подземных вод. При подготовке территорий для застройки осушение обычно производится на значительную глубину и сочетается с регулированием поверхностного стока и планировочными работами.

ЛЕКЦИЯ 5

Инженерно-геологические процессы,

связанные с деятельностью подземных и поверхностных вод

1. Просадки.

2. Карст.

3. Оползни.

4. Обвалы.

5. Плывуны.

1. Просадки.

Просадка – деформации в результате коренного изменения структуры грунта под действием внешних нагрузок, собственного веса грунта и влиянием дополнительных факторов (замачивание просадочного грунта, оттаивание ледовых прослоек в мерзлом грунте и т. д.).

Наиболее отчётливо эта особенность выражена у лёссовых грунтов. Наименование лёссовые грунты объединяет лёсс, образовавшийся эоловым путём, лёссовидные суглинки и супеси, образовавшиеся в результате делювиального, пролювиального и аллювиального процесса осадконакопления.

Окраска лёссовых пород чаще всего палево-жёлтая, реже сероватая и светло-бурая до тёмно-серой или коричневой.

Внешние признаки, отличающие лёссовые грунты:

1. Видимая невооружённым глазом пористость (макропористость), обусловленная наличием тонких, более или менее вертикальных канальцев, иногда с остатками растений. Канальцы, пронизывающие всю толщу лёссовидных грунтов, покрыты изнутри налётами углекислых солей.

2. Столбчатая отдельность. Проявляется особенно ярко на открытых местах, подвергающихся действию атмосферных осадков. В искусственных выемках и свежих разрезах отдельностей не наблюдается.

3. Быстрое размокание в воде и большая водопроницаемость. Водопроницаемость лёссовых грунтов значительно больше в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, вследствие чего на поверхности лёссовых отложений почти никогда не образуется стоячих вод.

4. Наличие твёрдых мергелистых включений. Трубчатые пустоты лёссовых грунтов в большинстве случаев покрыты тонким слоем извести. Отдельные известковые и мергелистые включения самой разнообразной формы находятся в лёссовых грунтах в довольно значительном количестве.

5. Характерное распределение влажности по глубине с наличием на некотором уровне так называемого “мёртвого горизонта” с меньшей по сравнению с вышележащими и нижележащими слоями влажностью. В мёртвом горизонте наблюдается максимальное содержание солей. Ниже мёртвого горизонта влажность возрастает постепенно, достигая величины максимальной влагоёмкости. Как правило, в толще лёссовых пород наблюдаются только два горизонта грунтовых вод: верховодка и нижний горизонт грунтовых вод.

6. Характерный состав. По гранулометрическому составу лёссовидные суглинки характеризуются преобладанием пылеватых фракций (частиц от 0,05 до 0,005 мм обычно более 50%) при незначительном содержании глинистых частиц (от 4 до 20%). Лёссовидные грунты отличаются значительной однородностью гранулометрического состава (коэффициент неоднородности не более 5).

7. По химическому составу главными составными частями являются:

– силикаты – от 27 до 90%;

– глинозём – от 4 до 20%;

– углекислый кальций – от 6 до 67%.

Особенность лёссовых грунтов заключается в совершенно различном поведении их под нагрузкой при разном увлажнении. В сухом состоянии ( при влажности 6-9% и ниже) лёсс отличается значительной прочностью, относительно высокой несущей способностью и устойчивостью в откосах. Эти грунты водонеустойчивы, быстро и легко размокают и размываются. В районах их распространения широко развиты овражно-балочные явления, быстро разрушаются берега рек, озёр и водохранилищ, многочисленны оползни, сплывы, солифлюкционные подвижки и другие явления.

При увлажнении лёссового грунта размягчаются и частично растворяются жёсткие кристаллизационные связи, развивается расклинивающее действие плёнчной воды, снижается прочность водно-коллоидных связей между частицами.

Просадочность грунта зависит от его состава, структуры и напряжённого состояния, поэтому для каждого слоя лёссового грунта определяют относительную просадочность при давлениях, которые он будет испытывать в основании сооружений.

Просадочность грунта оценивают относительной просадочностью ε_sl, которую можно определить по данным компрессионных испытаний с подачей (при различных давлениях) воды в одомер. В результате таких испытаний строят график зависимости высоты образца от давления и характера деформации при замачивании, а затем находят относительную просадочность при данном давлении:

ε_sl = (h_n.p. - h_sat.p)/h_n.g, где

h_n.p. – высота образца грунта природной влажности при давлении, ожидаемом на данной глубине после возведения сооружения;

h_sat.p – высота образца после просадки от замачивания;

h_n.g – высота образца при природном давлении на данной глубине z.

Условно грунт считают просадочным при ε_sl 0,01.

Графики зависимости коэффициента относительной просадочности от давления позволяет оценивать начальное просадочное давление p_sl, при котором ε_sl = 0,01. При меньшем давлении лёссовый грунт считают практически непросадочным.

Начальное просадочное давление представляет собой минимальное давление, при котором начинает проявляться просадка при полном водонасыщении грунта. Начальное просадочное давление может определяться на основе опытного замачивания котлована с замером вертикальных перемещений грунтов с помощью глубинных марок. Такой опыт позволяет установить глубину, с которой наблюдается просадка под действием собственного веса. Это давление и будет начальным просадочным давлением.

Проведение такого эксперимента позволяет определить тип грунтовых условий по просадочности:

I тип – грунтовые условия, в которых возникает, в основном, просадка от внешней нагрузки, а просадка от собственного веса грунта не превышает 5 см;

II тип – грунтовые условия, в которых кроме просадки от внешней нагрузки возможна просадка от собственного веса грунта более 5 см.

Начальная просадочная влажность ω_sl рассматривается как минимальная влажность, при которой проявляются просадочные свойства грунтов.

Просадка грунта от нагрузки фундаментов и собственного веса грунтов при замачивании

s_sl = ε_sli·h_i·k_sli,

ε_sli – относительная просадочность;

h_i – толщина i-го слоя грунта;

n – число слоёв, на которое разбивается зона просадки.

k_sli – коэффициент, равный единице для фундаментов шириной 12 м и более. При ширине фундамента b 3 м его значение определяется по формуле:

k_sli = 0,5 + 1,5·

p – среднее давление под подошвой фундамента, МПа;

p_sl – начальное просадочное давление, МПа;

p_o – давление, равное 0,10 МПа.

При промежуточных значениях ширины фундамента значение коэффициента k_sli определяется интерполяцией.

Устойчивость и эксплуатационная пригодность зданий и сооружений, возводимых на лёссовых просадочных породах, должна обеспечиваться:

1) предохранением лёссовых пород от замачивания;

2) прорезкой лёссовых пород глубокими фундаментами;

3) устранением просадочных свойств лёссовых пород;

4) применением конструкций зданий и сооружений, малочувствительных к неравномерным осадкам.

Для предохранения лёссовых пород от замачивания применяют:

а) планировку строительной площадки и отвод с неё дождевых и талых вод нагорными и водоотводными канавами. Цель этого состоит в быстром отводе поверхностных вод со строительной площадки, недопущении их скопления на ней и в защите её от вод, стекающих к ней с более высоких элементов рельефа;

б) устройство изоляционных покрытий вокруг зданий и внутри их; по днищам и откосам канав, каналов, отстойников и других сооружений для предупреждения инфильтрации поверхностных и производственных вод в толщу лёссовых пород и их замачивания в основании зданий и сооружений и в зоне, к ним прилегающей;

в) прокладку водопроводной, паропроводной, канализационной сети и других инженерных коммуникаций, транспортирующих воду, в водонепроницаемых лотках для предупреждения утечки воды и увлажнения лёссовых пород в зоне сооружения;

г) компоновка зданий, сооружений и подземных коммуникаций, при которой утечки воды из них не влияли бы на устойчивость соседних сооружений.

Прорезка просадочных пород глубокими фундаментами применяется с целью передачи нагрузки от зданий и сооружений на нижележащие непросадочные породы. Прорезка может быть полной или частичной глубокими фундаментами или сваями.

Для устранения просадочных свойств пород при их подготовке как основания сооружений наиболее часто применяют: уплотнение грунтовыми сваями, трамбованием, взрывами; термическое закрепление пород; силикатизацию; частичную замену просадочной породы непросадочной путём устройства грунтовых или бетонных подушек; предварительное замачивание и доуплотнение грунтов.

Конструктивные мероприятия применяют такие, которые снижают чувствительность к неравномерным просадкам:

а) разрезку сооружений на части осадочными швами;

б) придание жёсткости отдельным частям здания дополнительным армированием, устройством железобетонных поясов по цоколю фундаментов и по междуэтажным перекрытиям;

в) уменьшение удельной нагрузки на подошву фундаментов путём увеличения их опорной площади.

2. Карст.

Карст – образовавшиеся при растворении и выщелачивании поверхностными и подземными водами известняков, доломитов, мела, мергелей, гипсов, ангидритов, каменной и калийной солей воронки на поверхности земли, провалы и другие формы рельефа, а в толще горных пород – разнообразные пустоты, каналы, пещеры. Таким образом, карст представляет собой одну из своеобразных форм химического выветривания.

Карст возникает в тех породах, где распространены практически растворимые в воде горные породы – карбонатные, сульфатные, каменная и калийная соли. В соответствии с этим различают карст карбонатный, сульфатный и соляной.

Карст может возникать только при одновременном наличии:

1) породы, относительно легко растворимой в воде;

2) проницаемости этой породы;

3) движущейся в породе воды;

4) растворяющей способности воды.

Различают:

1. Поверхностный (открытый) карст, который проявляется сильно в рельефе местности, образуется, когда растворимые породы находятся у дневной поверхности, непосредственно обнажаются, или задернованы и покрыты рыхлыми образованиями небольшой мощности.

2. Глубинный (подземный) карст с характерными для него образованиями в виде пустот, каналов, пещер и других подземных форм, образуется, когда растворимые породы находятся на той или иной глубине среди нерастворимых пород того же возраста, или перекрыты более молодыми образованиями.

3. Смешанный тип карста – поверхностный и глубинный.

В карстовых районах многочисленны примеры деформаций и провалов сооружений.

На развитие карста существенное влияние оказывают условия залегания пород, их трещиноватость и раздробленность. В породах, прикрытых, изолированных с поверхности более молодыми, водонепроницаемыми породами, карст развивается слабо или вообще не образуется. В породах, обнажённых или прикрытых рыхлыми водопроницаемыми породами малой мощности, карст развивается легче. В горизонтально залегающих породах карст развивается главным образом по их простиранию, в крутонаклонных – на глубину, в моноклинально залегающих – как по простиранию, так и по падению.

Важное значение для оценки закарстованности пород имеют гидрогеологические и гидрологические наблюдения и опытные фильтрационные работы.

При проектировании и строительстве сооружений в карстовых районах необходимо изучение следующих вопросов:

1) глубина залегания растворимых горных пород от поверхности земли, рельеф их поверхности, мощность, состав и свойства покрывающих отложений;

2) мощность растворимых пород, степень их закарстованности, пространственное расположение поверхностных и глубинных форм карста и их влияние на устойчивость территории;

3) активная зона проектируемых сооружений, величина распространения её в пределы закарстованных пород, их несущие способности, а также покровных отложений;

4) водопроницаемость и водообильность закарстованных пород, глубина залегания уровня карстовых вод и их напор при проектировании сооружений глубокого заложения, подземных и гидротехнических;

5) интенсивность развития карста, виды, формы и частота его проявления, причины и условия, способствующие его развитию;

6) применяемые принципы и методы строительства сооружений и обеспечения их устойчивости на основании обобщения опыта строительства и эксплуатации сооружений в рассматриваемом районе.

Выбор противокарстовых мероприятий производят в зависимости от конкретных особенностей инженерно-геологических условий строительной площадки: тип карста, глубины залегания растворимых пород, степень их закарстованности и обводнённости, а также типа проектируемого сооружения. Важно учитывать, будут ли закарстованные породы надёжным естественным основанием и средой для сооружений, нет ли опасности больших притоков воды и их затопления, не возникнут ли большие потери воды на фильтрацию после строительства сооружения и впоследствии при его эксплуатации в связи с возможной активизацией развития карста.

Комплекс мероприятий в районах распространения карста:

1) планировка территорий, сопровождающаяся регуляцией поверхностного стока и устройством канализации для отвода производственных вод;

2) каптаж подземных вод и дренаж обводнённых пород;

3) площадную подготовку основания;

4) устройство опор глубокого заложения;

5) искусственное уплотнение и укрепление пород;

6) устройство противофильтрационных завес;

7) разнообразные конструктивные мероприятия.

3. Оползни.

Оползни – смещение земляных масс вниз по склону под влиянием силы тяжести. Происходят в том случае, когда возникающие в массе грунта вблизи от откоса сдвигающие (касательные) напряжения оказываются выше напряжений, которым может противостоять грунт. При нарушении устойчивости толщи грунта, являющегося основанием для сооружения, перемещению подвергается и само сооружение.