3. Инженерно-геологические условия как условия и факторы развития современных геологических процессов

3.1. Определение понятия инженерно-геологические условия

Современные геологические и инженерно-геологические процессы и явления изучаются, оцениваются во взаимосвязи со всей природной обстановкой тех территорий, на которой они развиваются.

Природная обстановка, которая изучается для нужд хозяйственной деятельности человека, включает в себя физико-географические, климатические и геологические условия, компоненты которых являются или условиями, или факторами развития процессов. Взаимодействие геологической среды с другими средами и условиями проявляется в геологических процессах. Физико-географические, климатические условия не являются предметом исследования инженеров-геологов, а при оценке геологических процессов и явлений характеристики этих условий оцениваются по результатам изучения специальными науками (климатологией, гидрологией, геоморфологией и др.). Инженерная геодинамика изучает геологические условия развития геологических процессов, которые называют специальным термином – инженерно-геологические условия (ИГУ). Под инженерно-геологическими условиями понимают совокупность компонентов геологической среды территорий, важных для решения проблем строительства сооружений и рационального использования территорий [3] Бондарик Г.К. определяет ИГУ как «такие свойства геологической среды и такие происходящие в ней процессы, которые оказывают влияние на принятие тех или иных решений, определяющих размещение сооружений, выбор их типов и конструкций, способов строительства, методов эксплуатации, способов оптимального управления геологической средой» 2 с., 56.

Компонентами ИГУ, которые могут быть либо условиями, либо факторами развития геологических и инженерно-геологических процессов являются следующие:

1 – горные породы;

2 – тектоника и неотектоника;

3 – геоморфологические условия;

4 – подземные воды;

5 – геологические и инженерно-геологические процессы и явления.

3.2. Горные породы и их роль в развитии геологических процессов

Главным компонентом при оценке всех геологических процессов и явлений являются горные породы, так как именно в них происходят все эти процессы и с их особенностями, характеристиками связаны масштабы, типы, динамика, механизм, скорость развития геологических процессов.

Основными задачами изучения горных пород для оценки и прогнозирования геологических процессов должны быть следующие:

1) определение генезиса и возраста пород определяющих общие черты геологического строения, форму и размеры тел, их вещественный состав и изменчивость;

2) изучение истории геологического развития;

3) изучение строения разреза и условий залегания пород;

4) изучение текстуры, структуры, минерального и петрографического состава пород, их состояния и физико-механических свойств;

5) разделение геологического разреза на геологические тела разных категорий.

Перечисленные характеристики являются условиями и факторами развития процессов и недооценка, недоизученность их не позволяет успешно решать все задачи инженерно-геологической оценки геологических процессов. Это, к сожалению, часто вызывает активизацию процессов, деформации сооружений, возникновение новых процессов, иногда гибель людей.

Возраст и генезис пород обусловливают степень литификации, состав, текстуру, структуру, и следовательно, физико-механические свойства.

Более древние породы, более плотные, прочные, чем породы того же типа, но более молодые. Одинаковые литологические типы пород, имеющие разный генезис, различаются многими характеристиками.

Например – пески. Эоловые пески хорошо отсортированы, однородные, мелкозернистые, окатанные, имеют хорошую водопроницаемость по всей территории залегания. Аллювиальные пески – разнозернистые, с пылеватыми и глинистыми фракциями, косослоистые, с неоднородным составом, по территории распространения, обладают худшей водопроницаемостью. В аллювиальных песках активнее, чем в эоловых песках развиваются процессы суффозии, плывуны, уплотнение.

В морских осадочных слоистых породах важное значение для оценки механических свойств пачки или толщи имеют тонкие прослои менее прочных разностей – глин, алевритов или гипса, их количество и распределение по разрезу, а также характер контактов между слоями. В континентальных четвертичных и плиоценовых отложениях косая и иная слоистость, тонкие и частые прослои глинистых и ожелезненных песков или линзы старичных глин среди мощной аллювиальной толщи, переслаивание ленточного типа, распределение и количество обломочных включений в ледниковые, пролювиальные и склоновые образования определяют сопротивление размыву, их механические и фильтрационные свойства.

Фациальная макро- и микроизменчивость морских и континентальных осадочных толщ, интрузивных и эффузивных пород, обусловливающая неравномерное распределение подземных вод, выщелачивание и выветривание, неоднородность и анизотропию физико-механических свойств толщ и как следствие разнохарактерность геологических процессов, является весьма важной инженерно-геологической особенностью.

Горные породы претерпевают различные преобразования под влиянием постгенетических процессов (в первую очередь катагенеза и гипергенеза), что также необходимо учитывать, так как в результате этого изменяются их состав и свойства. Процессы катагенеза в значительной степени определяются тектоническим режимом территории, гипергенеза – климатическими условиями. Например, кембрийские гидрослюдистые глины широко развиты на севере и северо-западе Русской платформы [3]. В районе С-Петербурга эти глины в течение геологической истории дважды испытывали нагрузку: первую – в палеозое, продолжительную по времени, но меньшую по величине (6 – 7 МПа), вторую – в ледниковый период, большую по величине (8 – 9 МПа), но менее продолжительную. В течение же значительного геологического времени кембрийские глины были разгружены, происходили их разуплотнение и гидратация. В результате этого кембрийские глины выглядят малоизмененными породами, имеют тугопластичную и полутвердую консистенцию, значительную пористость (30%) и естественную влажность (14%). Эти же кембрийские глины в районе г. Вологды испытывали постоянное гравитационное уплотнение от палеозоя до настоящего времени, в результате чего их пористость снизилась до 15%, а естественная влажность до 5 %. Не меньшие, а может быть, даже большие изменения, претерпевают горные породы под влиянием процесса гипергенеза. Под воздействием этого процесса горные породы, имеющие один и тот же возраст и генезис, могут приобрести различные инженерно-геологические особенности и свойства, и, наоборот, породы разные по генезису и возрасту, будучи в одной климатической зоне, под влиянием процесса гипергенеза приобретают общие черты, имеющие большое значение для решения задач в области геодинамики.

Под влиянием процесса гипергенеза возникает кора выветривания, которая, по Н.В.Коломенскому, сверху вниз делится на четыре зоны: тонкого дробления, зернистая (или мелкообломочная), глыбовая и монолитная. Породы каждой зоны имеют свои особенности, состав и свойства. Процесс гипергенеза, наряду с изменением химико-минерального состава пород, оказывает влияние и на их строение; в частности, нарушает монолитность грунтовых толщ и скальных массивов. Особенно сильно изменяются породы, имеющие прочные структурные связи – скальные грунты. Об этом дает представление схема, разработанная Г.С. Золотаревым [3], которая наиболее подходит для скальных грунтов (рис. 2).

Таким образом, постгенетические процессы сильно изменяют первоначальный облик пород. Под их воздействием меняются такие важнейшие инженерно-геологические особенности, как химико-минеральный состав и строение – факторы, определяющие свойства грунтов. Поэтому при генетическом подходе к изучению грунтов важно знать не только их генезис, но и постгенетические процессы. По существу, понять все инженерно-геологические особенности породы и ее свойства можно только в том случае, если будем знать геологическую историю территории, где находится эта порода с момента ее образования и до наших дней. В этом заключаются основные возможности генетического подхода в инженерной геологии. Поэтому тезис: свойства грунтов зависят от их генезиса – надо понимать широко, включая в понятие «генезис» не только образование породы, но и все постгенетические процессы, все, что порода «пережила» с момента своего образования. Понятно, что провести такой анализ тем сложнее, чем древнее возраст породы [3].

Важной характеристикой горных пород являются строение разреза и условия залегания пород, то есть характер чередования слоев, элементы залегания слоев, мощность пород одного возраста, генезиса, типа. Один тип строения разреза и условий залегания пород может быть благоприятным для развития одних геологических процессов и менее благоприятным для других (рис. 3).

Весьма благоприятные условия залегания пород, строение геологического разреза явились одним из факторов развития грандиозного оползня на реке Пьяве в Италии в октябре 1963 года вблизи плотины Вайонт высотой 265,5 м. Воды водохранилища подмыли берег, замочили горные породы, залегающие в долине слоями с наклоном в сторону русла и огромная масса породы сползла в реку. За 7 мин были снесены 5 небольших городов, погибло 3 тысячи человек [12].

Рис. 2. Схема расчленения коры выветривания (по Г. С. Золотареву).

Зоны выветривания и их характерные особенности:

I – дисперсная – полного химического преобразования исходных пород; глины, суглинки и супеси в основании с редкой щебенкой, выщелоченные и ожелезненные, карбонатизированные и т. п. Возможно разделение на 2–3 горизонта;

II – обломочная – преобладание физической дезинтеграции и частичное химическое разложение; по степени раздробленности и химического разложения количеству минеральных новообразований и физико-механическим свойствам подразделяются обычно на 4 горизонта, обозначаемых А, Б, В и Г;

III – трещинная – раздробление массива и начало разложения пород по крупным трещинам и тектоническим зонам; появление на значительных глубинах. Возможно образование зон выветривания малой толщины вдоль основной трещины

Структура и текстура горной породы обусловливают ее прочность, сжимаемость, водопроницаемость, устойчивость к процессам выветривания. Зная характер структуры и текстуры породы можно косвенно судить о ее свойствах и сделать прогноз поведения породы при внешних воздействиях.

Состав пород является очень важной характеристикой, влияющей на развитие геологических процессов – их типы, механизм, скорость и активность развития, способы борьбы с процессами. Кроме того состав пород обусловливает характер других факторов ИГУ.

Рис. 3. Различные условия залегания пород одного состава:

а) благоприятные для развития оползней; б) неблагоприятные для оползней, благоприятные для эрозионного подмыва, обвалов.

Минеральный состав пород является условием развития таких процессов как карст, набухание в глинистых грунтах. Особенности минерального состава являются и фактором, сдерживающим или активизирующим развитие многих процессов. В большей степени минеральный состав влияет на свойства и поведение песчано-глинистых пород. Например, кварцевый песок несжимаемый, стойкий по отношению к воде; глауконитовый песок – сжимаемый, пористый. Монтмориллонитовые глины набухают при взаимодействии с водой, сильно сжимаемые. Каолинитовые глины не набухают, обладают слабой водопроницаемостью. Наличие органического вещества в горной породе приводит к увеличению пластичности глинистых пород, снижению их водопроницаемости; в песчаной породе в таком случае увеличивается возможность развития плывунных процессов. В одном из рабочих поселков дома после одного года эксплуатации стали деформироваться, в них образовались трещины, одна часть здания приподнималась, другая опускалась в процессе уплотнения грунтов под нагрузкой. Выяснение причин деформаций показало, что в основании залегали монтмориллонитовые глины, которые в результате сброса дождевых вод с одной стороны здания замачивались, набухали и поднимали здание. Такое явление стало возможным из-за недооценки состава пород при изысканиях и проектировании здания [11].

Петрографический состав, особенно крупнообломочных и песчано-глинистых пород, является условием развития таких геологических процессов, как суффозия, плывуны, пучение, солифлюкция, курумы и другие. Изменчивость петрографического состава пород какой-то изучаемой территории обусловливает изменчивость физико-механических свойств (пористости, сжимаемости, пластичности, прочности и др.), что может влиять на дифференциацию активности, скорости, масштабов, характера развития на этой территории геологических процессов.

Особенности физико-механических свойств как компонента ИГУ, являются, следовательно, фактором развития геологических процессов.

Состояние породы (мерзлое, талое, трещиноватое, выветрелое, естественное, напряженное) также является либо условием, либо факторами развития процессов. Процессы, связанные с промерзанием и оттаиванием горных пород, изучает и характеризует наука «Мерзлотоведение».

Здесь остановимся на характеристике трещиноватости и естественного напряжения горных пород.

Трещиноватость изверженных, осадочных и метаморфических пород изучается с различных точек зрения в тектонике, литологии, рудной и нефтяной геологии, гидрогеологии и инженерной геологии. В инженерной геологии проблема изучения и оценки трещиноватости массива пород является одной из важных, так как от нее зависят их прочностные и деформационные свойства, размываемость, водо- и газопроницаемость. Трещиноватость существенно влияет на развитие эрозионных, абразионных, карстовых, оползневых и других процессов, в том числе выветривания, а также отражается на методах и эффективности укрепительных и противофильтрационных мероприятий. Задачей инженерно-геологического изучения трещиноватости пород является установление ее генезиса, развития и других показателей, количественная пространственная характеристика степени и изменчивости трещиноватости, оценка влияния отдельных ее особенностей и в целом на свойства массива пород и геологические процессы. Для инженерно-геологической оценки трещиноватости пород важны следующие показатели: генезис трещин, в котором отражены факторы и механизм их образования; возраст и последовательность формирования, унаследованность трещин разного генезиса; пространственное положение, ориентировка, протяженность; ширина, характер поверхностей стенок трещин, их заполнитель и режим обводнения; интенсивность (степень) микро- и макротрещиноватости породы и массива.

Для инженерно-геологической оценки трещин рекомендуется следующая классификация трещин по генезису (табл. 9).

Таблица 9

Схема инженерно-геологической классификации трещин по генезису

Группы трещин	Генетические типы трещин	Характерные черты
I Контрационные (остывания или первичной отдельности)	в интрузивных породах	обычно тонкие и узкие трещины, протяженные, закономерно ориентированные в трех взаимно перпендикулярных направлениях
	в эффузивных породах	преобладают широкие трещины, образующие характерные столбчатые, матрацевидные отдельности
II Лито-генетические	усадки в илах, такырных и аналогичных отложениях	возникают при высыхании осадков, узкие и широкие, вторично заполненные
	напластования и объемного уплотнения в литифициро-ванных глинистых породах	тонкие и узкие, образующиеся при литификации пород и внешнем давлении; видимые и обнаруживающиеся при снятии напряжений и выветривании
III Тектонические (эндогенные)	по механизму образова-ния при: сдвигах и сколах, сжатии (давлении), растяжении (разрыве), развальцевании и скручи-вании, проскальзывании и скручи-вании, проскальзывании по слоис-тости	разной ширины от микро- до средней, протяженные, прерывистые и кулисорасполо-женные, волнистые, образуют узлы трещин при наложении разных систем. Различная шероховатость стенок и выполнение трещин – перетертый обломочный, глинистый и милонитизированный материал, кальцит, кварц и др.
	по взаимоотношению с основными структурами: соскладчатые приразрывные оперяющие	для каждой генерации трещиннообразования характерны две основные системы и третья менее четко выраженная
IV Экзогенные, часто наложенные на другие типы трещин	нетектонического давления – от веса ледового покрова, при гидротации и т.д.	локальное распространение, без четкой ориентации, узкие и тонкие
	разуплотнения при разгрузке естественных напряжений в массиве пород, в том числе трещины бортового и дон-ного отпора	обычно широкие и наложены на тектонические и литогенетические проявляются при эрозионном расчленении, открытые и заполненные осыпным и другим щебнисто-глинистым материалом