Глава 28

СУФФОЗИОННЫЕ И КАРСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Суффозионные процессы. При филырации подземная вода со­вершает разрушительную работу. Из пород вымываются составля­ющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверх­ности земли, образованием провалов, воронок (рис. 156). Этот процесс выноса частиц, а не его последствия, называют суффозией.

Различают два вида суффозии — механическуюихимическую. При механической 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.

При одновременном действии этих двух видов суффозии ино­гда применяют термин — химико-механическая суффозия.Такая суффозия может быть в лессовых породах, где растворяется кар­бонатное цементирующее вещество и одновременно выносятся глинистые частицы.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродина­мического давленияи превышение величины некоторойкритиче-

Рис. 156. Суффозионный провал в толще суглинков: / — снег

ской скорости воды.Это вызывает отрыв и вынос частиц во взве­шенном состоянии. Взвешивание частиц происходит при критическом напоре /_кр, который можно определить по формуле

4р = (Д - 1)(1 - п)+ 0,5л,

где Д — плотность породы (песка); п— пористость породы.

Гидродинамическое давление D,г/см³, действующее по каса­тельной к депрессионной кривой дренируемого потока, определя­ют по формуле

D= Доnl,

где До = 1— плотность воды;п— пористость; / — гидравлический уклон (градиент).

Суффозия наиболее свойственна гранулометрически неодно­родным породам. Процесс механической суффозии в разнозерни­стом песке происходит следующим образом. Песок состоит из частиц различного размера — больших и малых. Большие части­цы создают структурный каркас породы. Поры достаточно вели­ки и через них под действием фильтрующейся воды свободно проходят мелкие частицы (глинистые, пылеватые). Суффозия в таких песках возникает с момента появления критического напо­ра Ад, > 5.

Суффозия может происходить в глубинемассива пород или вблизиповерхностиземли.

В глубинемассива перенос мелких частиц осуществляется во­дой из одних пластов в другие или в пределах одного слоя. Это приводит к изменению состава пород и образованию подземных каналов. В глубине массива суффозия может возникать также наконтактедвух слоев, различных по составу и пористости. При этом мелкие частицы одной породы потоком воды переносятся в поры другой породы. При суффозии на контакте между слоями иногда формируются своеобразные прослои или вымываются пус­тоты. Это можно наблюдать на контакте глинистых и песчаных слоев, когда соотношение коэффициентов фильтрации этих пород больше двух. Характерными являются пустоты лессовых пород, в частности, на контакте с подстилающими их кавернозными изве­стняками-ракушечниками. Размер пустот иногда достигает не­скольких метров. Такие небольшие пещеры развиты, например, на склонах долины р. Темерник в г. Ростове-на-Дону (рис. 157). Раз­витие пещер нередко сопровождается провалом поверхности зем­ли, повреждением зданий и подземных коммуникаций.

Рис. 157. Суффозионная полость (/) в лессовых породах, залегающих на склоне рельефа, сложенном известняками-ракушечниками (2) и глиной (J):

4 — здания

Следует отметить, что в лессовых породах суффозия развива­ется не долько на контактах, айв самых толщах, образуя так называемый глиняный,илилессовый, карст.

Развитие пустот начинается с ходов землероев и при условии возникновения в них турбулентных завихрений фильтрующей во­ды. Порода разрушается и образуются пустоты размыва.

Как механическая, так и химическая суффозия активно про­является также вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий — форми­ровании воронок депрессии, колебаниях уровня подземных и по­верхностных вод, откачках, дренировании. Суффозионные про­цессы часто возникают на склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводко­вых вод или сбросе лишних вод, в местах выхода на поверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях (рис. 158).

В откосах строительных выемок суффозионный вынос частиц приводит к оседанию поверхности, образованию провалов, воро­нок, оползней. Например, в районе Волгограда многие оползни связаны с суффозионным выносом песка грунтовыми водами. На орошаемых землях дельт рек Терека и Сулака (Прикаспий) за счет инфильтрации воды и перепада ее скоростей на границе су­песчано-суглинистых отложений с озерно-аллювиальными тре­щиноватыми глинами образуются крупные провалы, разрушается оросительная сеть, магистральные каналы.

Химическая суффозия может проходить длительное время и выщелачивает не только карбонаты и другие сравнительно легко растворимые вещества, но и кремнезем. При значительном рас­творении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс.

При исследовании пород, в которых наблюдается или воз­можна фильтрация воды, необходимо выявлять их способность к суффозии. Следует учитывать, что при малом гидродинамическом давлении в породах может происходить только фильтрация воды,

Рис. 158. Схема формирования суффозионной каверны под насыпной плотиной (по М.Васичу) (обозначения ясны из рисунка)

при повышении давления начинается суффозия. Для выявления этих свойств определяют критические градиенты и давление во­ды, при которых начинается процесс суффозии. Эту работу про­водят в лабораторных и полевых условиях.

При проектировании объектов необходимо установить возмож­ность проявления суффозионной осадки, определить величину и характер протекания суффозной осадки (5^). При этом следует определять всю суммарную величину вертикальной деформации засоленного основания, которая складывается из осадки, вызван­ной уплотнением грунтов от нагрузки объектов, и суффозионной осадки.

При прогнозе величины суффозионной осадки следует учиты­вать:

• в глинистых грунтах с содержанием глинистых частиц более 40 % осадка практически не проявляется;

• наибольшая осадка наблюдается при высокой засоленности и большой пористости грунтов;

• величина и характер протекания осадки во времени во мно­гом зависят от химического состава фильтрующейся в грунте воды.

Величина суффозионной осадки определяется по результатам полевых испытаний засоленных грунтов статической нагрузкой (штампом) после длительного замачивания.

Строительство на суффозионных грунтах имеет свои трудно­сти и осуществляется по специальным требованиям строительных 410

норм и правил. При возведении объектов используются различ­ные приемы строительства:

• прорезка фундаментами зданий слоя суффозионного фунта;

• водозащита оснований от проникновения в них атмосферных и технических вод;

• прекращение фильтрации подземной воды устройством дре­нажей и водонепроницаемых завес;

• отсыпка на основании фунтовых подушек из песка или су­глинков;

• предпостроечное рассоление и уплотнение фунтового осно­вания;

• искусственное закрепление массива фунтов методами техни­ческой мелиорации (кроме крупнообломочных фунтов, обладаю­щих высокой фильтрационной способностью).

Выбор того или иного приема строительства зависит от геологи­ческого строения и гидрогеологической обстановки строительной площадки, типа и вида фунтов оснований, характера засоления, конструкции объекта и технических возможностей строительной организации.

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: регулированием повер­хностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; перекрытием места выхода подземных вод тампонировани­ем или прифузкой песком; устройством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цемента­ции, глинизации, применением специально выбранных видов фундаментов, например свайных.

Карстовые процессы. Это процессы выщелачивания водораст­воримых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подзем­ными и атмосферными видами и образования в них различных пустот.

Для карстового процесса (в отличие от обычной суффозии) главным является растворениепород и вынос из них веществ в растворенном виде (рис. 159).

В России карстимеет широкое распространение в районах западного Приуралья (закрытый гипсовый и известняковый карст), на Русской равнине (закрытый известняковый карст), в Приангарье (известняковый карст) и во многих других местах Сибири, Кавказа и Дальнего Востока.

Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и сте-

Рис. 159. Известняки, подверженные карстовому процессу

пенью ее минерализации, геологическим строением участка, ре­льефом местности, трещиноватостью пород, характером растите­льности, климатом.

Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли (хлориды), гипсы с ангидритами и известняки. Для растворения одной части каменной соли (галита) достаточно трех частей во­ды, а для гипса нужно уже 480 частей воды. Труднее всего рас­творяются известняки. В зависимости от содержания в воде С0₂ и от температуры для растворения одной части минерала кальци­та, из которого обычно слагаются известняки, требуется от1000 до 30 000 частей воды. Аналогичным образом растворяются доло­мит и магнезит.

Причины различной растворимости минералов зависят от энергии кристаллических решеток. Чем больше эта энергия, тем труднее растворяется минерал. Кроме того, растворимость поро­ды зависит от крупности составляющих ее частиц. Мелкие зерна при всех прочих равных условиях растворяются быстрее.

Одним из главных факторов карстообразования является дей­ствие воды — атмосферной, речной, подземной, если она не об­ладает повышенной минерализацией. Наиболее сильно растворя­ет породы слабо минерализованная вода, а также водные растворы, содержащие свободную углекислоту. В этом случае рас­творяющее действие воды увеличивается во много раз. Растворе­нию способствует повышенная температура и движение воды. За­висимость растворимости кальцита от температуры представлена следующим примером:

Температура, °С 25 50 100

Растворимость, мг/л 14,33 15,04 17,79

Одним их самых важных условий развития карста является сте­пень водопроницаемости пород. Чем более водопроницаема поро- 412

да, тем интенсивнее развивается процесс растворения. Наилучшие условия в этом отношении создаются в трещиноватых породах, особенно при наличии трещин шириной не менее 1мм, так как это обеспечивает свободную циркуляцию воды. Вода постепенно разрабатывает трещины в каналы и пещеры. Этот процесс, полу­чивший названиекоррозии,продолжается до водоупора или уровня подземных вод. У коррозионного процесса, как и у эрозионного, имеется нижний предел развития, называемыйбазисом коррозии, которым чаще всего бывает уровень ближайшей реки, озера или моря, а также поверхность водоупорных пород.

Поднятие или опускание карстового массива, вследствие дви­жений земной коры, вызывает изменение положения базиса кор­розии. Карстовый процесс при этом либо усиливается, либо ослабевает.

Ниже уровня подземных вод, если они достаточно минерали­зованы, и поток их движется медленно, карстообразование не происходит. В этой части массива наблюдается цементация тре­щин за счет выпадения из водного раствора кальцита и (или) других веществ. В связи с этим в карстующемся массиве следует различать зону карстообразованияизону цементации(рис. 160).

Интенсивность карстообразования определяется мощностью слоя карстующихся пород. При малой мощности исключается возможность возникновения больших пустот. К тому же мало­мощные слои растворимых в воде пород часто переслаиваются с глинами, иногда даже перекрываются глинистыми отложениями. Глинистый материал препятствует циркуляции воды, заполняет (забивает) трещины пород.

Очень большое влияние на развитие карста оказывает климат (количество и характер распределения осадков по сезонам года, температурный режим верхних слоев земной коры). Так, установ­лено, что на Урале до 50 % карбонатных солей выносится водами в весенний период. Зимой их вынос составляет всего лишь не­сколько процентов от общегодового количества. Прирельефе,ко-

1

Рис. 160. Зоны

УГВ — уровень грунтовых вод; 1 — атмосферные воды; 2 — суглинки

карстового массива М Г~

в известняке:

II— зона цементации; /Г~~Т

торый не обеспечивает поверхностного стока, роль атмосферных вод значительно возрастает.

Влияние растительностина развитие карста двоякое. С одной стороны, лесная подстилка и гумус обогащают воду свободной С0₂и усиливают ее растворяющую деятельность, с другой сторо­ны, глинистый элювий, формирующийся на покрытых раститель­ностью территориях, уменьшает инфильтрацию и размывающую силу поверхностных вод. Уничтожение леса и дернового покрова всегда способствует развитию поверхностных карстовых форм.

Формы карста.В процессе выщелачивания в карстующихся породах образуются различные по своему положению и формепустоты,или карстовые формы.

По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и скрытый. При открытомтипе карстующиеся породы лежат непосредственно наповерхностиземли, а прискрытомони перекрываются слоями нерастворимых водопрони­цаемых пород и лежат на некоторойглубине.Примером открыто­го карста могут быть районы молодых складчатых гор (Кавказ и др.). Скрытый карст распространен на Русской равнине.

Из многочисленных форм карста наиболее часто встречаются: на поверхности земли — карры, воронки, полья и в глубине кар­стующихся толщ — каверны и пещеры.

Карры— мелкие желоба, борозды и канавы на склонах рельефа местности из карстующихся пород в виде известняков (рис. 161). Глубина карров колеблется от нескольких сантиметров до 1—2 м.

Воронки—углубления различных форм и размеров (рис. 162). Диаметр их колеблется от 3—4 до 40—50 м, глубина от 1—2 до десятков метров.

По происхождению воронки разделяют на поверхностные и провальные. Поверхностные воронкиобразуются в результате вы-

Р и с. 161. Карры в известняках 414

Рис. 162. Карстовая воронка в мергелях

щелачивания и размыва пород атмосферными и талыми водами в области открытого карста. Форма этих воронок обычно блюдце­образная. Провальные воронкивозникают при обрушении кровли над подземными пустотами (пещерами и т. д.), образовавшимися также в процессе карстообразования. Значителььные по размерам провальные воронки иногда именуютпропастями.Свежие прова­льные воронки имеют шахтообразную форму. В дальнейшем, в частности в гипсах и солях, края воронок приобретают плавные очертания.

На дне воронок всегда есть трещины, по которым вода посту­пает в глубину массива пород. В большинстве случаев воронки располагаются по определенным линиям, которые соответствуют основному направлению трещин массива. Такие вытянутые серии воронок иногда преобразуются в карстово-эрозионный овраг.

Полъявозникают в результате постепенного объединения во­ронок или опускания больших участков земной поверхности в результате карстового выщелачивания пород на глубине толщ. По длине полья простираются на сотни метров и даже километров, глубина достигает нескольких метров.

Каверныобразуются в результате растворения пород по мно­гочисленным трещинам. Карстующиеся породы становятся похо­жими на пчелиные соты.

Пещеры— подземные пустоты, формирование которых связа­но с растворением пород и сопровождается эрозией и обрушени­ем. Колебание базиса коррозии нередко приводит к появлению пещер, располагающихся в несколько этажей. В качестве приме­ра можно привести Жигулевские горы. На рис. 163 показана пе­щера в известняках.

В массиве карстующихся пород наблюдается обычно несколь­ко пещер, связанных воедино ходами и трещинами, по которым

Рис. 163. Пещера в известняках

циркулирует подземная вода. Пещерам свойственны озера и под­земные реки.

Пещеры разнообразны по форме и размерам. Наиболее круп­ной среди известных является Мамонтова пещера в Северной Америке. Если все проходы и галереи этой пещеры вытянуть в од­ну линию, то их длина составит 240 км. Высота одного из залов достигает 40 м при размере в плане 163 х 87 м. Самой высокой в мире пещерой среди известных является Анакопийская пропасть в Новом Афоне (Кавказ). Один из ее залов имеет высоту более 70 м.

Строительство в карстовых районах связано со значительны­ми трудностями, так как карстующиеся породы являются нена­дежным основанием. Пустотность снижает прочность и устойчи­вость пород, как оснований зданий и сооружений. Развитие карстовых форм может вызвать недопустимые осадки или даже полное разрушение конструкций. Карстовый процесс особенно опасен для гидротехнических сооружений. Через карстовые пус­тоты возможны утечки воды из водохранилищ, каналов. При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на прекращение развития карстовых форм, повышения устойчивости и прочности пород:

• предохранять растворимые породы от воздействия поверхно­стных и подземных вод, что достигается планировкой территории, 416 устройством системы ливнеотводов, покрытием поверхности слоем жирной глины, выполняющей роль гидроизоляции. Фильтрация подземных вод пресекается сооружением дренажных систем;

• упрочнять карстующиеся породы и одновременно предотвра­щать доступ в них воды, что может быть достигнуто нагнетанием в трещины и мелкие пустоты жидкого стекла, цементного или гли­нистого раствора, горячего битума.

В карстовых районах предусматривают строительство зданий малочувствительных к неравномерным осадкам, фундаменты свайного типа и другие специальные конструктивные решения.

Для правильного проектирования зданий и сооружений в карстовых районах необходимы детальные инженерно-геологиче­ские исследования,которые должны носить комплексный харак­тер. При этом изучают климат, растительность, гидрологию, гео­морфологию, геологию местности, подземные воды и в том числе все, что связано с самими карстовыми формами, что соб­ственно определяет СНиП 11.02—96.

Инженерно-геологические исследования позволяют обнару­жить и нанести на карту районы карстующихся пород, выделить наиболее опасные участки, где капитальное строительство прак­тически невозможно, определить наличие карстовых форм под землей. В этом некоторую помощь могут оказать геофизические методы разведки, в частности электроразведка.

Принципиальное значение имеет определение степени актив­ности карстового процесса. В связи с этим различают: действую­щий карст,который развивается в современных условиях, ипас­сивный,или древний, карст, развитие которого происходило в прошлом. В последнем отсутствует циркуляция воды. Такие кар­стовые формы часто содержат делювиально-пролювиальный материал, задернованы, покрыты кустарниковой и даже древес­ной растительностью. При изменении базиса коррозии и других причин пассивный карст может перейти в активную стадию.

При активном карсте степень закарстованности пород про­должает возрастать. Для растущих карстовых форм характерны четкие очертания, циркуляция воды, зияние трещин, отсутствие древесной растительности.

Возможности возведения сооружения в районе активного кар­ста определяют сроком службы и особенностями его эксплуата­ции. В связи с этим важное значение имеет определение скоро­сти развития карстового процесса. Для приближенной оценки степени закарстованности территории и скорости развития карста существует ряд способов, в том числе длительное наблюдение за карстообразованием в данном районе.

Карстовые районы по степени устойчивости можно разделить на пять категорий:

1. весьма неустойчивые, образуются по 5—10 воронок в год на 1км²;

2. неустойчивые — 1—5 воронок в год на 1км²;

3. средней устойчивости — 1воронка на1км²за время от одного года до20лет;

4. устойчивые — 1 воронка на 1 км²за 20—50 лет;

5. весьма устойчивые, на которых отсутствуют или имеются лишь старые воронки; свежих провалов не зарегистрировано за последние 50 лет.

Скорость развития карстового процесса можно определить с помощью показателя активности карстового процесса

A = {V/V,) 100%,

где Л— показатель активности карстового процесса;V— объем растворенной в течение1000лет породы;Vy— объем карстую- щихся пород.