6.4. Опасные инженерно - геологические процессы и явления

К опасным геологическим явлениям и процессам относятся землетрясения, активный вулканизм, наводнения, цунами, смерчи, карст, оползни, обвалы, многолетняя мерзлота, сейсмичность, сели, геохимические аномалии. В инженерно-геологической практике в первую очередь следует учитывать карст, оползни, обвалы, сели, изменения многолетней мерзлоты, промерзание, повышенную сейсмичность. Необходимо не только выявить и полно описать эти природные явления, но обязательно проанализировать их взаимовлияние при строительстве и во время эксплуатации дорог, зданий и сооружений.

Карст - это совокупность геологических процессов и созданных ими явлений в земной коре и на ее поверхности, вызванных растворением горных пород. Он обуславливает образование пустот, разрушение, изменение структуры и состояния пород, возникновение особого вида движения подземных вод, типичных депрессионных форм рельефа (воронки, провалы, поноры) и режиму рек (сухие части русел, сифоны и пр.). Карст наиболее неприемлем при возведении плотин, создании водохранилищ, каналов и туннелей. Защита от опасных последствий карста достигается созданием противофильтрационных завес, экранированием, искусственными кольматажами или приспособлением конструкции сооружений к природным условиям. Карстованию наиболее подвержены распространенные карбонатные породы и залежи каменных солей (соляной карст).

Несущая способность закарстованных пород в массиве определяется общими для скальных грунтов параметрами и наличием кавернозных пустот, включая прослои и трещины, содержащие рыхлый заполнитель. Расчетные показатели сжимаемости, сопротивления сдвигу и допустимой нагрузки определяются по степени заполнения трещин и полостей, составом, состоянием и текстурой заполнителя. При этом учитываются два типа передачи нагрузки веса сооружения на основания:

- блоки породы опираются на нижележащие породы и нагрузка от гидротехнических сооружений на заполнитель не передается;

- блоки пород разделены заполнителем, полностью воспринимающим передаваемые нагрузки.

Получение количественных характеристик сжимаемости и сопротивления сдвигу заполнителя пустот и трещин очень сложно вследствие неоднородности его состава и мощности. Лабораторные методы исследований дают искаженные модели. Поэтому применяют методы опытных нагрузок на штампы, в расчетные показатели вносятся необходимые поправки.

Водопроницаемость закарстованных пород зависит от гидравлической связи между кавернами и трещинами, выделяют пористо - ячеистую и трещинную водопроницаемость. На степень и характер развития карста оказывает влияние интенсивность движения воды по трещинам. Распространенные в бортах долин трещины бортового отпора часто оказываются наиболее закарстованными.

Оползни и обвалы связаны с гравитационной устойчивостью склонов. Особенно это следует учитывать при строительстве дорог и сооружений в расчлененном рельефе в долинах рек, котловинах озер и прибрежных зонах. При строительстве гидротехнических сооружений плотин, туннелей, мостов, путепроводов существующие оползни и обвалы нередко активизируются или возникают новые деформации склонов.

В естественных условиях формирование склонов происходит под воздействием ряда геологических процессов, из которых наибольшую роль играют смещение пород под влиянием силы тяжести. Для платформенных районов наиболее характерны оползни, развивающиеся преимущественно в глинистых породах или породах, содержащих глинистые прослои. Для горно-складчатых районов, сложенных в основном скальными породами, гравитационные деформации более разнообразны и представлены обвалами, оползнями, оползнями-обвалами, осыпями, каменными лавинами, селями.

Оползнем называется смещение горных пород, слагающих склон, представляющее собой скользящее движение вследствие механического разрушения ими течения пород склона или его основания. Оползни распространены практически повсеместно по берегам рек и оврагов, поэтому при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений с ними почти всегда приходится считаться.

Значительные осложнения при проектировании гидротехнических сооружений вносят древние оползни, часто не выраженные в рельефе местности. Они не могут служить надежным основанием для дорог и сооружений. На участках древних оползней есть реальная опасность оживления деформаций при подрезке склона строительными выемками или при насыщении склона водой, а также при размыве берегов водохранилищ.

На склонах изменяется их устойчивость и напряженное состояние пород. В оползневом массиве и его основании значение напряжений и их распределение следует сопоставлять с прочностью пород. Если напряжения существенно ниже прочности пород, то это устойчивое состояние, а при превышении напряжений над прочностью неустойчивое. При примерном равенстве говорят об условно устойчивом состоянии оползневого массива.

Многолетняя мерзлота широко распространена на восточных и северных районах России, занимая около 70% территории. Закономерностям ее строения, распространения, истории формирования и условиям освоения посвящена наука мерзлотоведение. Переход мерзлых пород в талое состояние при строительстве и эксплуатации транспортных магистралей, жилых массивов и сооружений может существенно снизить несущие свойства грунтов или увеличить их водопроницаемость, а также вызвать ряд неблагоприятных физико-геологических процессов.

Многолетнемерзлыми (вечномерзлыми) называются любые породы, имеющие отрицательные или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, если они находятся в мерзлом состоянии более 3 лет. В распространении многолетнемерзлых толщ отчетливо выражена широтная зональность: на Крайнем Севере расположена зона их сплошного распространения, южнее она сменяется зоной прерывистого, еще южнее - островного развития мерзлых пород. Мощность мерзлых толщ изменяется от нескольких метров до нескольких сотен метров и зависит от общей климатической зональности территории, так и от местных физико-географических условий. В вертикальном разрезе многолетнемерзлых толщ выделяются слои суточных колебаний температур.

Если среди мерзлых пород встречаются прослои талых, то такие толщи называются слоистыми. Талые породы или талики существуют за счет отепляющего действия поверхностных водотоков и водоемов, интенсивной фильтрации воды, притока ее из глубины по тектоническим трещинам и воздействия солнечного тепла. Среди таликов различают сквозные и замкнутые. Толщи многолетнемерзлых пород подстилаются не мерзлыми и перекрываются либо талыми, либо сезонно-талыми породами. В зависимости от последнего обстоятельства многолетнемерзлые толщи называются не сливающимися и сливающимися.

Температура толщ многолетнемерзлых пород находится в зависимости от широтного положения территории и изменяется от минус 10°С в зоне сплошной мерзлоты до -0,1°С в зоне островной мерзлоты. В течение года колебания температуры происходят до глубины 15-20 м. Эта граница называется подошвой слоя годовых колебаний температуры. В многолетнемерзлых породах всегда присутствует льда в виде крупных мономинеральных тел, ледяных шлиров и жил различной формы или заполняет поры породы (лед-цемент).

Инженерно-геологические условия возведения и эксплуатации сооружений определяют свойства пород в период перехода из мерзлого состояния в талое и в протаявшем состоянии.

Изменение термического режима и влажности пород резко изменяет их физико-механические и фильтрационные свойства и приводит к возникновению и развитию неблагоприятных физико-геологических явлений: термокарста, морозного пучения, солифлюкции (оплыванию склонов, включая весьма пологие), образования наледей, заболачивания и др. Термокарстом называют процессы возникновения в толще многолетнемерзлых пород полостей, просадок и образования отрицательных форм рельефа (западин, воронок, котловин, ложбин), происходящих в результате вытаивания ледяных включений и залежей.

При проектировании сооружений учитывают два варианта поведения многолетнемерзлых грунтов:

- грунты основания сохраняются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации сооружения;

- грунты находятся в оттаивающем и оттаявшем состояниях.

Наиболее важным показателем условием возведения сооружений является тепловая просадка пород при протаивании. Откосы выемок, проходимых зимой в мерзлых скальных породах, как правило, устойчивы. Деформации их начинаются при оттаивании пород и действии надмерзлотных вод, дренируемых выемками. Устойчивость скальных пород в откосах выемок значительно понижается при многократном их оттаивании и замерзании. Если склоны поражены солифлюкцией, то их рекомендуется углублять в устойчивые породы. Оттаивание супесчано-суглинистых пород, слагающих откосы, может сопровождаться оплыванием и обвалами; песчано-гравийных - осыпями; скальных пород - осыпями, обвалами, вывалами.

Выветривание породных массивов, как указано в гл. 4, представляет собой приповерхностный экзогенный процесс разрушения горных пород под воздействием воды, кислорода, солнечного излучения, колебаний температуры, животных организмов и пр. В инженерно-геологическом отношении результатом выветривания является снижение прочности и несущей способности грунтов, происходящее в физическом, а не геологическом времени. Интенсивность выветривания определяется климатом, составом исходных пород, условиями их залегания и тектонической нарушенностью, рельефом, гидрологическими и гидрогеологическими условиями. В условиях техногенеза выветривание может усиливаться и ускоряться. Для предотвращения этого в процессе строительства и эксплуатации применяются: покрытие пород непроницаемыми материалами; упрочнение пород путем пропитывания их различными веществами; искусственная нейтрализация агентов выветривания; планировка территории; отвод поверхностных вод; устройства ливнестоков и др.

Повышенная сейсмичность имеет природную тектоническую основу. Однако масштабные техногенные явления (откачка подземных вод, нефти, газа, деятельность крупных карьеров и шахт, эксплуатация водохранилищ) могут повысить сейсмоопасность территорий. При землетрясениях здания и сооружения испытывают общие колебания на упругом основании и частные пространственные и крутильные колебания отдельных элементов. Интенсивность сейсмических воздействий на сооружения зависит от колебаний грунта, динамических свойств сооружения и от условий его опоры на грунт. Колебания грунта в разных точках основания сооружения не синхронны.

Силы инерции, возникающие в сооружении при колебаниях, вызывают в грунте упругие деформации, и таким образом, колеблющееся сооружение является излучателем сейсмической энергии.

При проектировании крупных промышленных, транспортных и гидротехнических сооружений в сейсмических районах следует учитывать повышенную оползневую, селевую и лавинную опасности, возникающие в результате изменений режима поверхностных и подземных вод. Активные движения блоков земной коры вызывают изменения прочностных, деформационных и фильтрационных свойств пород в массиве.

Под действием сейсмических волн возникают различные деформации подпорных конструкций: опрокидываются устои, перекашиваются стенки из-за осадки грунта или сдвигаются относительно основания в результате бокового давления грунта, возникают трещины в теле подпорных стенок. Чтобы избежать этого, необходимо рассчитывать боковое динамическое давление грунта на подпорную стенку.

Подземные сооружения меньше подвержены разрушительному действию землетрясений, так как амплитуда колебаний на глубине меньше, чем на поверхности.