Конспект лекций по геологии

3	2
	4

1	3	6
2
		5
	1	4
	2	3
	4

			Рис. 3.19. Установка для электроосушения:
Рис. 3.18. Схема иглофильтровой установки:
1 – насосный агрегат; 2 – коллекторная			1 – иглофильтр; 2 – катод; 3 – анод; 4 – труба
труба; 3 – шланг; 4 – иглофильтр			(стержень); 5 – направление движения воды;
			6 – источник постоянного тока

Процесс электроосушения основывается на способности воды, в том числе связанной, двигаться от анода к катоду. В связи с перемещением прежде всего связанной воды пористость грунта возрастает и, как следствие, повышается его водопроницаемость. Одновременно в грунте происходит явление электрофореза, вследствие чего в зоне катода накапливаются труднорастворимые соли, которые цементируют грунт, а значит, прочность его повышается. Установлено, что это свойство сохраняется. После электроосушения разработка грунтов в котловане происходит обычным способом.

Рытье котлованов может проводиться также под защитой шпунтовых стенок, ледовых завес из замороженного грунта и т. п. Для закрепления плывунов в основаниях фундаментов и при устройстве противофильтрационных завес используется силикатизация двухрастворная (kf > 2 м/сут) и однорастворная (kf = 0,1 – 5 м/сут). В первом случае через скважины-инъекторы в грунт под давлением 200 – 300 кПа поочередно нагнетают растворы жидкого стекла (Na2ОnSiO2) и хлористого кальция, что приводит к образованию гидрогеля кремниевой кислоты, который, отвердевая, цементирует песок. Во время однорастворной силикатизации под давлением 200 – 300 кПа в грунт подают смесь из растворов жидкого стекла и фосфорной кислоты в определенном соотношении.

3.13. Суффозия

Суффозией называется процесс вынесения из грунтов мельчайших и мелких минеральных частиц при помощи подземной воды, которая фильтруется. Суффозия возникает в песчаных грунтах, а иногда и в супесях. Она имеет место на склонах, куда выходят подземные воды; на откосах земляных плотин и дамб, в песчаных основаниях бетонных плотин, в строительных котлованах при открытом водоотводе, во время откачивания воды из буровых скважин и в других подобных случаях. В этом процессе большое значение имеет механическое вынесение частиц, а не вещества в виде раствора. Существует и химическая суффозия (см. ниже п. 3.14.).

71

		Вынос минеральных частиц можно объяс-
4	3	нить влиянием на них фильтрационного давления,
		которое численно равняется гидравлическому гра-
		диенту. Интенсивность суффозионного процесса
		зависит от степени неоднородности зернового сос-
		тава грунтов. Чем она выше, тем чаще при меньших
		гидравлических градиентах возникает суффозия.
		Чтобы установить критический для данного грунта
	1	гидравлический градиент, при котором возникает
		суффозия, применяют прибор системы В.М. Славя-
		нова (рис. 3.20). Во время опыта воду через образец
	2	грунта пропускают снизу вверх при разных значе-
		ниях гидравлического градиента. Появление в про-
		фильтрованной воде минеральных частиц во взве-
Рис. 3.20. Схема прибора		шенном состоянии свидетельствует о начале про-
В. М. Славянова:		цесса суффозии. В это время определяют значение
1 – образец грунта; 2 – по-		гидравлического градиента, оно и будет крити-
дача воды; 3 – прозрачный		ческим.
цилиндр; 4 – стеклянная
трубка		В некоторых грунтах при определенном зна-
чении гидравлического градиента сначала происходит фильтрация воды, а при
увеличении градиента – суффозия. Дальнейшее увеличение градиента приводит
к разжижению грунта, то есть он переходит в плывунное состояние. Допусти-
мое значение гидравлического градиента с точки зрения возникновения суффо-
зии, можно определить с помощью графика, предложенного В.С. Истоминой,
для случаев восходящего движения воды (рис. 3.21). Если грунтовые или
другие подземные воды выходят на склон, состоящий из водопроницаемых
грунтов, то возможен вынос минеральных частиц, сначала мельчайших, а потом
мелких. После этого скорость движения воды возрастает. Начинается вынос
больших частиц.

І

1,0

0,8

б

0,6

0,4

а

0,2

0 5 10 15 20 25 30 35

К=d60/d10

Рис. 3.21. График В. С. Истоминой, иллюстрирующий зависимость допустимых градиентов от степени неоднородности грунта:

а– зона допустимых градиентов;

б– зона недопустимых градиентов

72

2

4

1 3

Рис. 3.22. Суффозия на склоне:

1 – уровень речной воды; 2 – уровень грунтовой воды; 3 – водоупорный пласт; 4 – ниша

В результате на склоне формируется ниша, а целостность его нарушается (см. рис. 3.22). Это может вызвать возникновение оползня. Аналогичные явления происходят при фильтрации воды сквозь тело земляной плотины в сторону нижнего откоса.

Для борьбы с суффозией на склонах используются подземные и откосные дренажи разнообразной конструкции. Устройство подземных дренажей будет рассмотрено дальше. Откосный дренаж используется в том случае, если небольшой по объему выход подземных вод наблюдается практически по всей поверхности склона. Схема откосного дренажа показана на рис. 3.23. На склоне прокладывают неглубокие канавки и заполняют их фильтровальным материалом (гравием). Расстояние между канавками должно обеспечить их взаимодействие и снижение уровня воды за их пределами. Таким образом, сбрасывание воды происходит лишь по канавкам и целостность склона не нарушается.

0,5-0,6 м

1 4

2

а

Рис. 3.23. Схема откосного дренажа: а – разрез; б – план; 1 – уровень грунтовой воды; 2 – водослив; 3 – пониженный уровень воды; 4 – гравий

			4
І			І
2
б	z	z	z
		І-І
	z	z	3

В земляных плотинах устраивают так называемые обратные фильтры. Опасность суффозии в песчаных основаниях бетонных плотин возникает из-за разности напоров воды в верхней и нижней частях плотины, что вызывает значительный гидравлический градиент. Для предотвращения суффозии градиент снижают, удлиняя путь фильтрации устройством понуров и шпунтовых стен (рис. 3.24).

Суффозия в строительных котлованах возникает при открытом водоотводе. В результате выноса минеральных частиц из грунта основание ослабляется. Это может стать причиной развития значительных осадок фундаментов. Кроме того, происходит обрушение стенок котлованов (рис. 3.25).

По этой причине сооружение открытого водоотвода допускается лишь при незначительном поступлении воды в котлован. В других же случаях рытье котлованов и закладывание фундаментов сопровождают процессом водопонижения, например при помощи иглофильтровых установок. В буровых скважинах для защиты водоприемников от заиливания вследствие суффозии используют фильтры.

73

		1
	3	2
		1
		2
		3
		4

Рис. 3.24. Водосливная бетонная дамба на	Рис. 3.25. Суффозия при открытом
песчаном основании:	водоотливе:
1 – верхний уровень воды; 2 – нижний уро-	1 – уровень грунтовой воды; 2 – ниша;
вень воды; 3 – понур; 4 – шпунтовая стенка	3 – зона ослабления основания

Следует рассмотреть также особый вид суффозии – подземную, когда происходит перенос мельчайших и мелких частиц грунтов с одного пласта в другой или с одной части пласта в другую. Это вызывает изменение зерно-вого состава грунтов и их водопроницаемости.

3.14. Карст

Ф.П. Саваренский под карстом понимал последствия процессов, связанных с деятельностью подвижных подземных вод, что проявляется в растворении скальных грунтов и образовании в них пустот. Слово «карст» происходит от названия известнякового плато на побережье Адриатического моря. Карст возникает в толщах известняков, доломитов, гипсов, ангидритов, каменной и калийной солей. В основе карстовых процессов лежит химическая суффозия, то есть вынос вещества в растворах. Химическая суффозия иногда дополняется механической. Следует учитывать, что растворимость указанных выше минералов неодинакова. Самую большую растворимость имеют каменная и калийная соли, самую низкую – известняки и доломиты. Например, растворимость известняков (в частности кальцит СаСО3) при температуре 17 °С составляет 11 мг/л. С увеличением содержания в воде свободного углекислого газа (СО2) растворимость известняка повышается. Когда содержание СО2 в воде равно 6 мг/л, растворимость увеличивается до 148 мг/г, а при 199,5 мг/л – до 455 мг/л.

Аналогичная картина наблюдается относительно других карбонатов (например, доломита). Вместе с тем, растворимость карбонатов значительно повышается при наличии в воде ионов HCO 3 , Cl и SO24 . Несмотря на неболь-

шую растворимость карбонатов в природе преобладает карбонатный карст. В то же время карст в гипсовых и соляных отложениях встречается сравнительно редко, что обусловлено особенностями их залегания (среди глин) и отсутствием трещиноватости. В табл. 3.3 приведена классификация карста А.Е. Голова.

74

								Таблица 3.3
		Классификация карста А.Е. Голова
		Группа карста				Тип карста		Подтип карста
	І (в труднорастворимых породах)			1. Карбонатный			а) известняковый
							б) доломитовый
							в) меловый
							г) в обломочных породах с
								карбонатным цементом
				2. Сульфатный (гипсовый)				—
				3. Сульфатно-карбонатный				—
	II (в легкорастворимых породах)			4. Соляной				—
	Наиболее типичным является карбонатный карст. Его образование проис-
	ходит вследствие поступления дождевых, талых и поверхностных текучих вод в
	толщу растворимых грунтов сквозь сетку трещин. Во время их движения в
	трещинах	возникают	пустоты		–	колодцы,	галереи,	туннели	и	пещеры
	(рис. 3.26). Встретив водоупор, подвижные воды накапливаются, образуя
	карстовые воды. Ниже от уровня карстовых вод, уже насыщенных раст-
	воренным веществом, растворение не происходит. Таким образом, уровень
	1	2				карстовых	вод является базисом карсто-
						образования.
						В зависимости от положения толщи
						с пустотами различают открытый карст
						(толща находится возле поверхности) и
						скрытый (толща перекрыта нераствори-
						мыми грунтами).
					3	Все карстовые пустоты начинаются
						возле поверхности, там, где вода поступает
	Рис. 3.26. Карстовые пустоты					в толщу. Здесь на поверхности образуют-
		в известняках:
						ся воронки	и борозды (карры),			которые
	1 – известняк; 2 – воронка; 3 – уровень
	карстовых вод					формируют своеобразный карстовый рель-
						еф.
	На основе опытных данных З.О. Макеев предложил подразделять толщи
	по их стойкости относительно карстообразования, в зависимости от скорости
	формирования воронок, на 5 видов. Так к очень нестойким толщам были
	отнесены те, в которых за год возникают 5 – 10 воронок на 1 км2, а к толщам
	очень стойким – такие, где новые воронки не возникали на протяжении 50 лет.
	Чаще всего карст приводит к возникновению неблагоприятных для стро-
	ительства условий. В особенности это касается гидротехнического стро-
	ительства. Известны случаи, когда водохранилища не смогли заполнить из-за
	истечения воды в карстовые пустоты. Если карст размещен между пластами
	глин или суглинков, воды могут заполнять его пустоты. Тогда трудности при
						75

возведении зданий и сооружений не возникают, как и в случаях, когда пустоты образованы в труднорастворимых грунтах (І группа карста), а значит, толщи мощные, поэтому скрытых (необваленных) воронок и пустот на небольшой глубине нет. В других обстоятельствах строительство затрудняется.

Борьба с карстом состоит, с одной стороны, в прекращении доступа поверхностных и подземных вод к толще, на которой возводятся здания и сооружения, а с другой – в повышении прочности (стойкости) грунтов и снижении их водопроницаемости. Последнее является очень важным потому, что со снижением водопроницаемости уменьшается поступление в толщу свежей воды, а интенсивность растворения грунтов снижается. Для прекращения доступа поверхностных вод осуществляют регулирование стока с отводом его в нужном направлении. Чтобы повысить прочность толщи и снизить водопроницаемость грунта при помощи разных методов улучшают свойства трещиноватых растворимых водой скальных пород. Среди таких методов – цементация, глинизация и битумизация.

3.15. Оползни

Оползнями называют смещение масс грунтов на склонах под влиянием силы тяжести. Схема оползня изображена на рис. 3.27. Поверхность, по которой произошел отрыв и смещение массы грунтов, называется поверхностью скольжения, а место ее выхода на поверхность склона или на поверхность возле ее подножия – подошвой оползня. Подошва оползня не всегда совпадает с подножием склона. В отдельных случаях поверхность скольжения не занимает четко выраженное положение. Это бывает в том случае, когда смещение массы грунтов связано с деформациями ползучести в глинистых грунтах. Сместившаяся масса грунтов формирует тело оползня. В верхней части склона возникает оползневый цирк.

Оползни возникают на берегах морей и озер, на склонах речных долин, балок, оврагов, на откосах насыпей и выемок. Таким образом, оползни могут возникать всюду. Но отдельные районы известны как оползневые, например, черноморское побережье возле г. Одессы, Крыма, Кавказа, правобережье реки Днепр, берега реки Волги в среднем течении и др.

Оползни причиняют значительные убытки экономике: затрудняют строительство, выводят из строя ценные земли. Возведенные на склонах строения и сооружения под воздействием оползней повреждаются, а иногда могут совсем разрушаться.

Непосредственных причин оползней много, но основных две:

1)изменение напряженного состояния в толще грунтов, из которых состоит склон;

2)изменение свойств грунтов на склоне.

Изменение напряженного состояния может происходить в результате увеличения нагрузок на склон во время застройки, возведение разного рода насыпей. К напряженному состоянию может привести увеличение веса грунтов

76

от увлажнения, а также нарушение целости склона при его подмыве поверхностными текучими водами, волнами прибоя, а также при подрезании выемками для строений и сооружений, в частности для дорог. Кроме того, целостность склона может быть нарушена суффозией.

Почему в рассматриваемых случаях происходит изменение напряженного состояния? Для выяснения этого вопроса условно вырежем в толщи склона элементарную призму грунта (рис. 3.28). Сжатие этой призмы происходит в условиях невозможности бокового расширения. Вдоль граней призмы действуют главные напряжения σ1 и σ2. Большее из них σ1, действующее на горизонтальную площадку, равно давлению от собственного веса грунта. Меньшее главное напряжение σ2, которое действует на вертикальную площадку, соответствует боковому давлению грунта. Разрушение такой призмы может происходить лишь при определенном соотношении между главными напряжениями. Такое соотношение наступает или в результате увеличения главного напряжения σ1 (увеличение нагрузки на склон), или при уменьшении главного напряжения σ2 (уменьшение бокового давления вследствие подмыва или подрезания склона). В условиях большой крутизны склона возле его подошвы (в плоскости 1-1) возникает перепад давления, который может привести к выдавливанию в этом месте грунта.

1
		I-I
	σ1	b
σ2		σ2
4
	σ1	І	І
3		a
		с
2
Рис. 3.27. Схема оползня:	Рис. 3.28. Схема напряженного
1 – оползневой цирк; 2 – подошва оползня;		состояния на склоне
3 – поверхность скольжения; 4 – тело оползня

Изменение свойств грунтов, которые залегают на склоне, происходит во время выветривания, увлажнения их поверхностными и подземными водами, под влиянием ударных и вибрационных нагрузок (например, при забивании свай). Чаще всего нарушение стойкости склонов может быть следствием замачивания глинистых грунтов водой, из-за чего снижается их сопротивление сдвигу. Следует вспомнить также такую причину оползней, как землетрясение. В этом случае стойкость склона может нарушиться под непосредственным воздействием на толщу инерционных сил.

77

Разнообразие причин, которые вызывают оползни, затрудняет их классификацию. Предложено несколько классификаций оползней по разным признакам. Остановимся на двух наиболее общих. Например, А.П. Павлов в 1903 г. разделил оползни по характеру развития поверхности скольжения на деляп-

	2	2	сивные и детрузивные (рис. 3.29).
			В деляпсивных оползнях разру-
	3	3
			шения начинаются в нижней час-
	1
		1	ти склона (например, при подмы-
		4	ве или подрезании), а поверх-
		4	ность	скольжения формируется
	а		снизу вверх. В это время верхние
		б	части склона словно теряют опо-
	Рис. 3.29. Классификация оползней по		ру. Детрузивние оползни харак-
		А. П. Павлову:	терны	началом разрушения в
	а – деляпсивный; б – детрузивный; 1 – подошва		верхней части склона (например,
	оползня; 2 – склон до оползня; 3 – склон после
			при увеличении на него нагруз-
	оползня; 4 – направление образования поверх-
	ности скольжения		ки), а значит, поверхность сколь-

жения развивается сверху вниз. В зависимости от направления формирования поверхности скольжения нагрузка на нижние части склона увеличивается, что,

витоге, приводит к выдавливанию грунта из-под подножия склона.

В1934 г. Ф.П. Саваренский предложил классифицировать оползни в зависимости от структуры склона и положения поверхности скольжения. Он разделил их на асеквентные, консеквентные и инсеквентные (рис. 3.30).

2	2	1
	3	2
3		3
	1	1
а	б	в

Рис. 3.30. Схемы оползней Ф.П. Саваренского:

а – асеквентный; б – консеквентный; в – инсеквентный; 1 – глина; 2 – склон до оползня; 3 – склон после оползня

Асеквентные оползни образуются на склонах однородного строения. Они имеют криволинейную поверхность скольжения, которая приближается к цилиндрической. Положение поверхности скольжения в таких оползнях определяется особенностями напряженного состояния склонов и величиной сопротивления грунтов сдвигу. Консеквентные оползни характеризуются поверхностью скольжения, положение, очертание которой предопределяется особенностями строения склона. Инсеквентные оползни возникают на склонах, где залегают пласты разных грунтов. Поверхность скольжения таких оползней

78

перерезает эти пласты.

Борьба с оползнями требует больших затрат сил и применения разных технических средств. Поэтому защитные мероприятия следует проводить после тщательного и разностороннего изучения оползней и определения их вида.

Борьба с оползнями может быть пассивной и активной. Пассивные методы

предусматривают проведение таких профилактических мероприятий, как запрет на подрезку склонов и их застройку, ограничение скорости движения транспорта на склонах и т. п. В активной борьбе с оползнями используют разные инженерные сооружения. Мероприятия по борьбе с оползнями должны проводиться с учетом причин, по которым возникают эти явления.

Некоторые проблемы оползневых территорий рассмотрим на примере. Большая часть застройки г. Полтавы расположена в пределах юго-восточной части Полтавского лессового плато, которое образовалось на возвышенных в современном рельефе к отметкам 140 – 150 м структурно-тектонических блоках. В период отступления Валдайского ледника за счет снижения базиса эрозии долина р. Ворсклы врезалась в отложения харьковской свиты. На склонах долины начали интенсивно развиваться оползневые процессы. Оползни формировались на правобережных склонах долины и в бортах многочисленных оврагов.

Особенности геологического строения плато таковы:

-у поверхности земли залегают четвертичные лессы и лессовидные суглинки с прослойками похороненного грунта мощностью до 15 м. В нижней части этих отложений находятся грунтовые воды, на склоне они выходят на поверхность по подошве пласта в виде отдельных источников, причем к центру города их мощность достигает 13 м, а зеркало грунтовых вод имеет форму купола;

-под лессами и лессовидными отложениями залегают четвертичные

красно-бурые глины твердой и полутвердой консистенции мощностью 10 – 12 м; эти глины являются водоупором для грунтовых вод; им присуща способность к набуханию, при увлажнении их можно оценивать как средненабухающие и даже сильнонабухающие, давление набухания глин psw 0,04 МПа;

- ниже красно-бурых глин находятся отложения пестроцветных (от серого к зеленоватому цвету) глин неогена мощностью до 25 м. Их способность к набуханию оценивается как слабая, иногда – средняя, давление набухания этих глин psw 0,015 МПа;

- под подошвой пестроцветных глин залегают мелкозернистые кварцевые пески полтавской свиты, которые постепенно переходят в пески верхнего палеогена, средняя мощность песчаных отложений – 25 м. В этом месте находится горизонт межпластовых вод, которые дренируются бортами балок; водоупором межпластовых вод служат отложения темно-серых глин берекской свиты мощностью 1,5 м. В наше время на склонах лессового плато развиваются оползневые процессы. Общая схема формирования оползней на склонах г. Полтава изображена на рис. 3.31. Всю зону склона можно поделить на три характерных участка. Участок І охватывает верхнюю часть склона – ту, которая

79

а

І

ІІ

ІІІ

содержит

лессы

и

лессовидные

суглинки. Крутизна склона здесь дости-

гает 55°. Оползни на этом участке воз-

делювий

никают время от времени по причине

дополнительного увлажнения

грунтов

за счет атмосферных и техногенных

факторов, вследствие подрезания и

пригрузки склона. Остатки предыдущих

б

оползней, перемещенные под действием

поверхность скольжения

собственного

веса,

залегают

ниже по

тело оползня

склону

и

обозначены как делювий

(рис. 3.31, а).

Иначе

говоря,

за

счет

обрушения верхней части склона, сос-

тоящей из лессовых пород, на поверх-

ности глин образуются слои современ-

в

ных наносных грунтов мощностью от

0,5 до 5 м. Примечательным является

поверхность скольжения

тот факт, что мощность этих отложений

изменяется поперек склона волнообраз-

тело оползня

но. Природа этого явления, обусловлена

с одной стороны, воздействием масс

грунта, которые передвигаются на от-

дельных участках, а с другой – процес-

г

зона дренирования

сами

его

набухания

при

интенсивном

увлажнении.

Интенсивное

увлажнение

глин возможно в первую очередь в

кольматация песков

мульдах

этих волн, поскольку в них

идет

накопление

грунтовых

вод

тело оползня

(рис. 3.31, б).

Вследствие

увлажнения

масс

зона дренирования

грунта в зоне склона на отдельных его

Рис. 3.31. Схемы развития

участках

(особенно

там, где идет их

интенсивное

увлажнение)

развиваются

оползневого процесса

локальные

оползни

с поверхностью

скольжения по четвертичным и неогеновым глинам. Массы грунта перемещаются вниз по склону к выходу песков на поверхность. На этом участке в зоне

ІІІ движение масс грунта задерживается за счет его дренирования песком

(рис. 3.31, в).

Со временем в процессе дренирования возникает явление кольматации песков под телом оползня. Под ним в песке образуется псевдоводоупор, что способствует дальнейшему насыщению грунта тела оползня поверхностными и подземными водами. Движение масс грунта восстанавливается, но вследствие большой крутизны этого участка склона, возможно даже их обрушение

(рис. 3.31, г).

80