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

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

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

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.

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,

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 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 степенью 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 порода, 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.