Физико-геологические процессы и явления

Экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы и явления

Экзогенные геологические процессы (ЭГП) и явления значительно усложняют условия строительства, а порой делают земли не пригодными для застройки, либо требуют огромных материальных затрат на проведение мероприятий и строительство сооружений защитного характера от ЭГП.

На территории Нижегородской области развиваются следующие виды ЭГП: выветривание, денудация, овражная и речная эрозия, оползневой процесс, карст, суффозия, заболачивание, солифлюкция, эоловый процесс, морозное пучение. Из инженерно-геологических процессов следует отметить подтопление, аброзионный процесс и переработку берегов в пределах созданных водохранилищ.

К наиболее опасным геологическим процессам и явлениям относятся оползневой и карстовый процессы, овражная и речная эрозия, заболачивание, переработка берегов. Эти процессы характеризуются масштабностью своего проявления, а часто и внезапностью. Именно эти виды процессов изымают из народно-хозяйственного пользования огромные участки земель.

Выветривание горных пород происходит повсеместно, но протекает сравнительно медленно. В зависимости от основных действующих факторов различают следующие типы выветривания: физическое, химическое, биологическое.

Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра, давления, которое возникает в процессе роста корней растений и т.д. Свою лепту вносит переменное намокание и высушивание пород.

Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности организмов и растений. Породы дробятся и в значительной мере подвергаются воздействию органических кислот.

Обычно одновременно действуют все типы выветривания. Мощность зоны выветрелых пород зависит в основном от уклона поверхности: на крутых склонах мощность составляет 0,10 - 0,50м, затем происходит оползание, на пологих склонах мощность до 2,00 - 3,00м, на ровных поверхностях - до 5,00м, а в зонах наличия тектонических трещин и разломов до 5,00 — 10,00м. Скорость выветривания зависит от интенсивности воздействующих факторов.

Для предотвращения выветривания или улучшения свойств уже выветрелой породы существуют различные мероприятия (покрытие горных пород непроницаемыми для очагов выветривания материалами, пропитывание пород различными веществами, нейтрализация агентом выветривания и т.д.).

Денудация - процесс, благодаря которому продукты выветривания горных пород удаляются с мест их образования и перемещаются на более низкие гипсометрические уровни. Главной движущей силой является действующая сила тяжести. Различают линейно действующую денудацию и плоскостную.

Линейный снос происходит по определенным линейным путям, чаще по понижениям в рельефе, постепенно расширяя, углубляя и сглаживая их (образуются делли).

Способами борьбы с денудацией обычно являются одернования, регулирование поверхностного стока, уположение поверхности.

Овражная эрозия имеет довольно широкое развитие и может поражать огромные по площади регионы.

При таянии снега и во время дождей образуются ручейки и потоки. Возникает струйчатая эрозия. Образуются промоины мелкие и глубокие, узкие и широкие. Они дают начало оврагам. Развитию оврагов способствует отсутствие растительного покрова и наличие пород, способных к размыву, и рельеф местности. Развитие промоин начинается при крутизне поверхности 1о;с дальнейшим увеличением крутизны резко возрастает скорость развития. Наиболее легко размываются лессовые породы, поэтому в районах их распространения овраги имеют наиболее широкое развитие. Овраг может вскрыть подземные воды, в таком случае возникает постоянный водоток, который в свою очередь усиливает рост оврага.

Мероприятия на землях, подверженных овражной эрозией, следующие:

- планировка приовражных склонов и засыпка мелких оврагов (промоин) глубиной до 1,5-2,0 м с последующим залужением;

- выполаживание оврагов с устройством гидротехнических сооружений (лотков, быстротоков, перепадов);

- устройство распылителей стока;

- создание противоовражных лесных полос;

- строительство на базе оврагов водоемов, дорожной сети, рекреационных зон.

Речная эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Одновременно вода оказывает и растворяющее действие. Эрозией собственно называется углубление водотоком своего русла и расширение его в стороны. Поэтому, обычно различают глубинную и боковую эрозию. Глубинная и боковая эрозия всегда протекают одновременно, но боковая может продолжаться и тогда, когда глубинная уже замедлилась, либо сменилась аккумуляцией.

Базис глубинной эрозии - уровень, ниже которого река, имеющая неизменное падение к устью, нигде не может углубить свое русло. Он зависит от базиса озера, моря, в которое впадает река. На изменение базиса эрозии влияют вертикальные колебательные движения земной коры (неотектоника).

Для зданий и сооружений, расположенных в речных долинах, подмыв берегов, в том числе и древних террас, и углубление реки представляет значительную опасность. Это приводит к обрушению берегов, появлению обвалов, оползней. С боковой эрозией борются укреплением берегов с регулированием течения реки. Способы различны: устройство набережных, подпорных стенок, наброска бутового камня, укладка ж/б плит и т.д. Направление течения реки регулируют с помощью струенаправляющих стенок, дамб, бун.

Оползни являются обычным явлением по бортам долин, по склонам оврагов, берегам водохранилищ.

Оползень — скользящее смещение горных пород под действием гравитации без потери контакта с поверхностью. Выделяют следующие геоморфологические элементы оползня: тело оползня (сползшая масса пород, сохранившая монолитность, либо распавшаяся на отдельные блоки), язык оползня (часть оползших пород, выдвинувшаяся за границу поверхности отделения), стенка срыва (над телом оползня возвышается другая стенка, по которой произошел отрыв оползших масс от массива пород), поверхность или плоскость скольжения (по ней происходит скользящее движение пород), бровка оползня (бровка стенки срыва), подошва или основание оползня (нижний край, представляющий выход поверхности скольжения на поверхность), борта оползня (правый и левый смотря сверху вниз склона по направлению смещения).

Длина оползня измеряется от бровки срыва до нижней границы сместившихся масс, ширина - между бортами.

Классификаций оползней чрезвычайно много. Наиболее часто применяются следующие классификации:

- по характеру развития смещения (деляпсивные, детрузивные оползни);

- по характеру захвата горных пород (оползни 1-го порядка, оползни 2-го порядка);

- по структуре оползневого склона и положению поверхности смещения (асеквентные, консеквентные, инсеквентные);

- по возрасту и фазам развития (современные, древние оползни).

Оползни выдавливания производят большое впечатление своими размерами. Происходят они вследствие раздавливания пород в глубине массива и последующего их выдавливания. Подготовка оползня происходит скрытно, смещение происходит буквально за несколько минут и часто носит катастрофический характер. Под оползшими породами могут оказаться здания и люди. Если появляются трещины за 1-3 суток до основного смещения и их удается обнаружить, то жертв и большого материального ущерба удается избежать.

Длина оползней выдавливания > 80-100м, ширина > 50-60м, глубина захвата смещением до 20-40м, в отдельных случаях до 50-60м. Для оползней выдавливания характерна крутая, почти вертикальная стенка срыва высотой до 15-20м, наличие крутых ступенчатых блоков с почти горизонтальной поверхностью и вала выпирания (вала выдавливания) у подошвы оползня.

Оползни выплывания образуются при выплывании песчаных разностей пород вследствие действия веса вышележащих пород и при высоких гидравлических градиентах. Основным деформируемым горизонтом (ОДГ) чаще всего являются алевролиты глинистые, реже песчаники глинистые тонкозернистые. Длина оползней выплывания от 20 до 50м, ширина может достигать 60-100м, глубина захвата смещением 6-10м, стенка срыва почти вертикальная, но высота её обычно не превышает 5-7м.

Оползни скольжения наиболее распространены среди оползней I группы. Смещением захватывается выветрелая зона коренных пород и покрывающих её четвертичных отложений. Смещение происходит быстро, вследствие хрупкого разрушения пород, переходящего в срез. Длина оползней 30-80м, ширина 50-60м, иногда >60м, глубина захвата смещением от 5 до 15-20м. Для оползней выдавливания характерно наличие мелких ступенеобразных блоков пород, запрокинутых в сторону склона.

Оползни I группы обычно происходят на склонах -с коэффициентом устойчивости 1 и менее, при крутизне склонов 18-28° и более, при наличии в разрезе пород с пониженными прочностными характеристиками (чаще всего это глины). Конфигурация склонов может быть вогнутой, прямолинейной и выпуклой. Оползни выдавливания чаще всего происходят на вогнутых склонах, в январе — феврале, когда снеговой покров достигает максимальной высоты, оползни выплывания образуются обычно в весенний период, оползни скольжения могут происходить в любые сезоны года, но как правило при значительном увлажнении пород на значительную глубину.

Оползни II группы составляют 80-95% от общего количества оползней, происходят ежегодно, особенно активны в весенний период. Происходят на склонах крутизной 8° и выше. Основные оползнеобразующие факторы — атмосферные осадки, подземные воды, подмыв основания склона. В этой группе выделяется также 3 типа оползней.

Оползни течения наиболее распространены. Основной деформируемый горизонт атмосферными осадками, либо различного вида водами (подземными в период высокого положения уровня, техногенными г др.) приобретает текучее состояние и начинается медленное смещение юрод, которое может продолжаться от нескольких суток до 1-2 месяцев. Поверхность оползней имеет бугристый характер, реже мелкоступенчатый. Размер оползней довольно различен - длина до 12-20м, ширина до 20-50м, глубина захвата смещением от 3 до 5-8м.

Оползни течения развиваются в элювиально-делювиальных, аллювиальных, озерно-аллювиальных отложениях.

Оползни проседания встречаются редко и поражают только лессовидные суглинки и супеси, для которых характерным признаком является их просадочность. Размер оползней небольшой: длина редко превышает 20-З0 м, ширина 30-40 м, глубина смещения чаще до 3-4 м, реже до 5-6 м. Стенка срыва оползней обычно почти отвесная высотой 1,5-4,0 м. Тело оползня одноступенчатое, реже двухступенчатое. Ступени представляют террасы с почти горизонтальной поверхностью.

Основным оползнеобразующим фактором являются атмосферные осадки в виде затяжных дождей.

Оползни разжижения — смещение пород в виде грязевого потока, вследствие мгновенной потери прочности. Оползням этого типа подвержены только лессовидные суглинки, возможно это связано с их макропористостью и столбчатой отдельностью. Смещение происходит быстро (1-3 минуты) и на месте оползших пород остаются лишь пустые колбы выплывания. Разжиженные породы устремляются вниз по незатронутому смещением склону и растекаются по встреченным террасам, либо по дну оврагов. Длина оползней 20-50 м, ширина 10-З0 м. Глубина захвата смещением не превышает 3-5 м. Причиной разжижения грунтов могут быть интенсивные атмосферные осадки. Оползни часто происходят во время ливней.

Просадочность – явление, характерное для многих лессовых пород. Просадка связана с воздействием воды на структуру пород с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самой породы или при суммарном давлении собственного веса и веса объекта. Уплотнение пород приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания водой. Форма опускания зависит от особенностей источника замачивания. При точечных источниках (провыв водопроводной сети, канализации и т.д.) образуются блюдцеобразные понижения. Инфильтрация воды через каналы приводит к продольным оседаниям поверхности. Площадные источники замачивания, в том числе и при поднятии уровня подземных вод, приводят к понижению поверхности на значительных территориях.

Вследствие опускания поверхности земли здания и сооружения претерпевают деформации, характер и размер которых определяется величинами просадок S_пр. Величина оседания поверхности может быть различной и колебаться от нескольких до десятков сантиметров, что зависит от особенностей замачивания толщи.

Среди лессовых пород по характеру влияния на них увлажнения различают: набухающие, непросадочные, просадочные.

Структура лессовых пород по своей прочности не одинакова. В одних случаях она разрушается при водонасыщении и при одновременном приложении к ней нагрузки от объекта. Такие породы относятся к первому типу по просадочности, другие лессовые породы разрушаются уже при водонасыщении только под собственным весом.

Просадочные явления в лессовых породах оказывают большое влияние на строительство на данной территории. Лессовидные породы представлены суглинками или супесями. Среди них различают лес (первичное образование) и лессовидные суглинки или супеси. Лессовидные суглинки обычно слоисты и могут содержать обломки различных пород. Для них характерны следующие особенности: способность сохранять вертикальные откосы в сухом состоянии, быстро размокать в воде, высокая пылеватость, невысокая природная влажность (до 15-17%); пористая структура (более 40%) с сетью крупных и мелких пород, высокая карбонатность, засоление водарастворными солями.

Изменение влажности лессовых грунтов по сезонам года серьёзно сказывается на основных строительных свойствах – сжимаемости, просадочности и сопротивлении сдвигу.

В лессовых толщах посадочными свойствами обладает только их верхняя часть. Толщина слоя просадочных пород колеблется от одного до тридцати метров. Для пород первого типа эта толщина в основном составляет 8-10м.

На данном участке строительства широко распространены оползни и просадочность лессовых пород.

Суффозия - процесс выноса частиц подземными водами. Процесс сопровождается оседанием поверхности земли и образованием провалов, воронок.

Различают 2 вида суффозии - механическую и химическую. При механической суффозии фильтрующаяся вода отрывает от породы и выно­сит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые, пылеватые, пес­чаные), при химической - вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты) и выносит продукты разрушения.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать воз­никновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины некоторой критической скорости воды.

Суффозия может происходить вблизи поверхности земли и в глубине массива (чаще всего это процесс карстово-суффозионный).

Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных до­лин и оврагов, на берегах водохранилищ, на откосах котлованов. Образу­ются воронки (d=O,5-5,O м, глубина до 1,5-2,5 м), блюдцеобразные пони­жения (d=10-20 м, реже до 50-100 м). Иногда плотность мелких воронок достигает 10-20 на 1000 м².

Суффозионные явления отрицательно сказываются на устойчивости зданий и сооружений. С суффозией следует активно бороться. Основой всех мероприятий является прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями: регулирование поверхностного стока и гидроизо­ляция поверхности земли, устройство дренажей для осушения пород или уменьшения скорости фильтрации, перекрытие мест выхода подземных вод присыпкой песка. На участках с развитым суффозионным процессом применяются особые виды фундаментов, применяется упрочение ослаб­ленных суффозией пород (силикатизация, цементизация, глинизация).