Изучение физико-геологических явлений в месте сооружений

02 апреля

При разведках под сооружения встает целый ряд вопросов, связанных с изучением физико-геологических явлений на месте сооружения и с поведением грунтов под воздействием последнего. Здесь наряду с гидрогеологиче­ским освещением ряда важных для проектировщиков и строителей вопросов возникает необходимость и инженер­но-геологической их оценки, учета реакции грунта на механические воздействия и т. д. Даже в естественных условиях часто можно наблюдать подвижку грунтов на склонах в той части, где они находятся в неустойчивом равновесии. Искусственные факторы могут в значительной степени ускорить и усилить этот процесс.

Оползание склонов может быть обусловлено подпором уровня воды при сооружении плотины. Подпор вызывает смачивание нижних частей склона и последующее их движе­ние вниз вместе с вышележащей массой. Поскольку это касается водохранилищ, которые обыкновенно расположе­ны вне населенной местности, такое обстоятельство не опас­но, если только общая масса оползня не очень уменьшит объем самого водохранилища. Обычно таких больших оползней, которые значительно уменьшили бы объем водо­хранилищ, ждать не приходится, и поэтому на оползание склонов в водохранилища внимания не обращают. Только в тех случаях, когда на склонах имеются сады, поселки и т. д., это обстоятельство приходится учитывать.

Если передвижения грунта происходят или могут прои­зойти на месте проектируемого сооружения, то на это нужно обратить очень серьезное внимание. Обыкновенно, когда идет разведка под сооружения, предварительно исследуется данная местность и ставится вопрос о том, какой участок лучше использовать для постановки соору­жения. Правда, так делается не всегда, и нередко сначала выбирают место по какому-нибудь экономическому призна­ку, а потом освещают его пригодность для той или другой дели с точки зрения гидрогеологической. Правильнее сначала осмотреть район, найти подходящие участки, а потом уже давать им сравнительную экономическую характеристику.

Оползни как природное явление до настоящего времени изучались очень подробно, но все же в отношении их оценки до сих пор существует довольно большое расхожде­ние во мнениях. Вообще явления оползания всегда проис­ходят на склонах долин и оврагов при непременном участии подземных вод. Если смещение склонов происхо­дит без участия подземных вод, тогда их не называют оползнями, а в зависимости от характера определяют как обвалы, осыпи, оплывины и т. д. (впрочем, в некоторых сравнительно распространенных учебниках, например в учебнике Д. И. Мушкетова «Общий курс геологии», обвалы отнесены в одну группу с оползнями).

Замечено, что на склонах небольшой крутизны (менее 15—20°) наблюдаются перемещения самой почвы независи­мо от того, напитана она или не напитана водой (солифлкж- ция). Особенно это касается осыпей. Даже на пологих склонах осыпи имеют тенденцию постоянно спускаться все ниже, причем в этом движении подземная вода совер­шенно не участвует.

А.  П. Павлов делит оползни в бассейне р. Волги на две категории: оползни падающие и оползни толкающие. Эти два типа оползней иногда можно наблюдать в природе как совершенно самостоятельные образования.

Представим себе какой-нибудь более или менее крутой склон, где имеются чередующиеся толщи глин, песка и т. д., причем пески напитаны водой, которая даже может иметь выход на склоне. Здесь возможно смещение части склона вниз по кривой поверхности, которую некоторые принимают за параболическую поверхность. По ней масса грунта скользит целиком, причем она обыкно­венно почти не испытывает никакой деформации, а пласты, из которых она сложена, наклонены в сторону того склона, от которого они оторвались. Это обычный тип падающего оползня, причем величина его вертикального сползания может достигать нескольких десятков метров.

Схема падающего оползня

Падающий оползень до известной степени служит упо­ром или контрфорсом для передвижения дальнейшей толщи, но все же некоторые явле­ния смещения могут про­изойти и далее. Оторвав­шийся новый блок корен­ной толщи постепенно на­валивается на ранее сполз­шую. Подземные воды, подпертые оползнем, не имеют непосредственного выхода на поверхность.

Они проходят под телом оползня и продолжают ра­боту подземного подмыва, облегчая таким образом сдвиг следующей порции об­рыва. Однако движение ее возможно только в том слу­чае, если предыдущий опол­зень будет смыт рекой или морем, ИЛИ масса ее так велика что сможет сдвинуть лежащий перед ней естест­венный упор (контрфорс). В последнем случае образуется сложный оползень. И так как первый оползень образует для второго некоторый упор, второй оползень деформируется при своем передвижении вниз; вся его поверхность ока­зывается измятой, изорванной, покрытой буграми, впади­нами, озерками и т. д. В разрезе такая масса имеет чрезвычайно сложное (подобие горного) строение, типич­ное для толкающего оползня. Толкающий оползень  по объему бывает значительно больше падающего, пото­му что он может образоваться только тогда, когда мас­са его велика и может сдвинуть контрфорс массы пер­вого оползня. Иногда толкающая масса так велика, что в движение приходит не только контрфорс, но и лежащая ниже в пределах долины и даже русла пластичная толща.Волжские оползни иногда представляют собой типичный пример падающих оползней; это оползни более или менее отвесных берегов. Они представляют серьезную опасность для Среднего Поволжья. Но наибольшие бедствия вызыва­ют оползни толкающие. Поверхности этих оползней впо­следствии несколько нивелируются дождевыми и снеговы­ми водами, и только своеобразная бугристо-волнистая поверхность склонов дает представление о том, что здесь когда-то были такие оползни.

Оползни — очень большая опасность для всякого рода сооружений на косогорах. Если косогоры сложены несме­щенным нормальным чередованием слоев, то из них можно выбрать ту толщу, которая представляется более подходя­щей, более устойчивой для данного сооружения. Но если склоны косогоров сложены оползшими слоями, если это занивелированные толкающие оползни, то всякого рода работы будут происходить в чрезвычайно тяжелых услови­ях, потому что выбрать такое направление, по которому можно провести сооружение в однообразных условиях грунта (канал, дорога и т. д.), почти невозможно. Мы будем переходить из одного слоя в другой — из песков в глину, из глины в пески, причем эти переходы будут случайными, а основные свойства пород, присущие ненарушенному материку, будут в значительной мере изменены. При увеличении нагрузки на косогоры, установившееся на дан­ное время равновесие может быть нарушено, и вся толща вновь придет в движение. Достаточно малейшего недо­смотра и может произойти катастрофа с самыми отрица­тельными результатами. Например, здание, построенное на склоне, .может послужить преградой для стекающей воды. Вода просачивается в грунт, смачивает его и вызыва­ет смещение всей толщи вниз вместе со зданием.

Следовательно, оценка физико-геологических явлений, имеющих место в данный момент, или выявление физико-гео- логических явлений, которые были когда-то и которые сейчас достигли некоторого равновесия и до некоторой степени за- нивелированы в природе, представляет собой весьма ответст­венную задачу, потому что наличие их может чрезвычайно вредно отразиться на всей работе будущих сооружений. По­этому, если только имеются малейшие подозрения, что какой- нибудь склон является не первичным склоном данной корен­ной породы или толщи, а что он был когда-то смещен, то необходимо произвести соответствующую разведку шур­фов кой, бурением и т. д., чтобы полностью установить природу этого явления. Там, где это возможно, предпочти­тельнее использовать шурфовку, потому что буровые скважины дают слишком измятый материал. Если на скло­не сделать шурф, то естественно, что малейшее изменение слоев, и в особенности их своеобразное смятие, очень рельефно выявится в стенках его, и такие явления, как замерший в настоящее время оползень, обнаруживаются очень легко. Иногда снивелированные оползни можно обнаружить при изучении обнажений в оврагах, пересекаю­щих местность, причем разрезы древних оползней имеют очень эффектный вид. Так, например, на Волге, в районе г. Тетюши, с парохода видно, что берег ее образован огром­ными складками, сложенными из своеобразных краснова­тых и желтоватых пород. Размах складок до 90—100 м. Складки представляют разрезы больших оползней с занивелированной в настоящее время поверхностью, лишенной всяких следов оползания, и только в обрыве обнаруживает­ся, что здесь когда-то имело место оползание.

Оплывни

Оплывины представляют самостоятельное образование, отличное от оползней. Это тоже смещение напитанного водой грунта, -но смещение происходит в несколько других условиях. На более или менее крутых склонах, покрытых тонкозернистыми лессовидными суглин­ками, обладающими большой влагоемкостью и плохой проницаемостью для воды, можно видеть такое явление: после снеготаяния или после обложных дождей толща напитывается водой до такой степени, что превращается в тестообразную массу и под действием собственной тяже­сти начинает сползать (стекать, оплывать) вниз. Так как склон обычно в большей или меньшей степени покрыт растениями, то с поверхности образуется корочка, скреп­ленная, связанная сплетениями корней, которая удержи­вает движение. В результате получается как бы вспучив­шийся вал в нижней части склона. Такой вал иногда наблюдается вдоль всего склона на сравнительно большом расстоянии. Если этот процесс идет дальше, то обыкновен­но в верхней части вала происходит разрыв покрывающей его коры, и вся тестоподобная масса стекает вниз в виде грязевого полужидкого потока, заходящего довольно дале­ко. В отличие от оползней оплывины представляют не сплошную породу, сползающую всей массой и более или менее сохраняющую все свои черты, а измененную, по­терявшую первичную структуру. Оплывины так же, как и оползни, во избежание больших неприятностей необхо­димо учитывать при возведении различных сооружений.

Суффозия

Из физико-геологических явлений, пред­ставляющих большой интерес, нужно отметить также суф­фозию (подкоп). Это подземный размыв в рыхлых толщах.

Предположим, что мы имеем чередующиеся толщи песков, напитанных водой. Причем, благодаря некоторому уклону водный поток в песке передвигается. Так как песок не настолько однороден, чтобы мог фильтровать воду, как нечто сплошное, она распадается на отдельные струйки, и там, где есть хотя бы небольшое отличие в механическом составе породы, меняется их скорость: где песок мельче, скорости становятся меньше, где песок крупнее, они увеличи­ваются. Вследствие этого мелкий песок постепенно выносит­ся, и по течению подземной струйки образуется канало­образный ход (водная жила, как говорят колодезники). Над ним, по мере его роста и вымывания песчинок, песок и прикрывающая его покровная глина проседают. Проседа­ние резче всего заметно над местом выхода на дневную поверхность воды, над родником.

Суффозия направляет в известной степени и движение оползней. Обычно, если на склоне наблюдается некоторое понижение (ложбина), то к нему чаще всего приурочены выходы родников, и именно в этих местах чаще всего имеют место и оползни. Характерно, что во многих случаях ополз­ни бывают диркообразно оконтурены. Это объясняется теми же явлениями суффозии.

Явления суффозии представляют очень большой инте­рес. Если есть возможность с высокого берега рассмотреть противоположные склоны, то нередко можно увидеть на них резко выраженные ложбиноподобные понижения, которые тянутся вверх по склону и иногда дают разветвления. По рисунку понижений можно представить целую сеть подземных потоков, которые где-то в глубине работают над деформированием поверхности. Этим признаком можно пользоваться для определения мест, где надежнее можно закладывать колодцы: они должны быть приурочены имен­но к этим западинкам. Если колодцы устраивать на пере­валах между понижениями, есть опасность попасть на такие подземные бугорки водоупорного ложа, где воды будет меньше, чем в понижении.

Карст

Некоторым особым развитием суффозии является карстообразование. Оно отличается от суффозии в рыхлых породах тем, что подземные потоки, размывающие извест­няки, текут в пустом пространстве жесткой горной породы, а не в порах, как при явлениях суффозии. При явлениях карстообразования существует форменное русло, и движе­ние воды происходит не по закону Дарси, как на первых стадиях суффозии, а по закону Шези, как в любом канале, в любой реке и т. д.

Явления карстообразования приурочены преимущест­венно к гипсоносным известнякам, т. е. к таким известня­кам, которые содержат большее или меньшее количество гипса в виде линз. Но они часто имеются в чистом известня­ке, так что наличие загипсованного известняка не является непременным условием для развития карста. Известняки до известной степени тоже растворимы в воде, причем эта растворимость приблизительно может доходить до 3 : 10 ООО, иногда несколько больше, так что вполне естественно, что явления карста могут иметь место и в известняках без гипса (см. главу о карсте). В известняках при выветрива­нии появляются трещины, от колебания температуры они несколько расширяются. Вода, попадающая в трещины, движется, а движущаяся вода растворяет сильнее, чем вода не движущаяся. В результате трещины растут за счет растворения и размыва. По мере того, как увеличиваются трещины, в них попадает больше воды, увеличивается рас­творяющая и движущаяся масса. Трещины начинают уси­ленно развиваться, увеличивая свой объем. Так как нельзя найти породы идеально однородной, то естественно, что растворение и размывание идет неравномерно, и трещины, которые вначале имели более или менее правильную форму, превращаются в трещины с изъеденными краями. Наконец, вся система трещин превращается в маленькие пещеры и известняк становится пещеристым, или губчатым. Такое строение породы получило название кавернозности (пещери- стости). Правильнее было бы назвать такое строение губ­чатым, образовавшиеся пустоты измеряются иногда санти­метрами, но иногда они могут достигать нескольких метров.

Отдельные пещеры могут соединиться между собой, получаются ходы и многоэтажные пещеры. Размеры их могут быть настолько крупными, что та часть породы, которая не растворилась и образует потолок, не в состоя­нии выдержать собственного веса. Происходят обвалы, вызывающие подчас местные землетрясения. Обвалы обыч­но идут по косым трещинам. Обвалившаяся масса падает на дно и при не особенно глубоком расположении пещер на поверхности земли появляются так называемые карсто­вые воронки, которые представляют проекцию на поверхно­сти земли пещер, образовавшихся где-то на глубине. Обла­сти с развитыми в недрах пещерами подобного рода пред­ставляют большую опасность при проведении железно­дорожных путей. Движущиеся поезда вызывают сильные сотрясения грунта, которые могут привести к прежде­временным провалам потолков карстовых пещер, что грозит большими опасностями для железнодорожного транспорта. Такие области должны подвергаться особенно тщательно­му предварительному исследованию.

В областях вечной мерзлоты существенную роль игра­ют явления термокарста, заключающиеся в том, что при нарушении температурного режима мерзлого слоя в поло­жительную сторону последний оттаивает на большую или меньшую глубину. Это вызывает оседание поверхности над оттаявшим грунтом. Оттаивание мерзлого грунта может быть обусловлено истреблением леса и мохового покрова пожаром, а также возведением отапливаемых внутри зда­ний и т. д.

Просадки

К явлениям, которые заслуживают особенно большого внимания, относят своеобразные свойства некото­рых покровных образований (горные породы типа суглин­ков, в особенности лессовидные суглинки) выдерживать сравнительно большие нагрузки (до 2 кг/см2 и больше) в сухом состоянии и деформироваться в избыточно увлаж­ненном состоянии. Возьмем какую-нибудь призму лес­совых пород и будем на нее оказывать определенное механи­ческое давление в сухом состоянии. Затем начнем увлаж­нять породу, и мы увидим, что наступит момент, когда она станет расплываться под давлением своего собственно­го веса (просадка грунта). Сущность просадочных явлений в лессе пытались объяснить тем, что в нем содержится до 5—7% растворимых солей. Растворение этих солей п вызывает уменьшение объема породы.

В последнее время считают, что это не совсем так, пото­му что просадки возникают за такое короткое время, за которое соли из пород не могут быть вынесены. В лабора­торных условиях было установлено, что просадки в лессах возникают даже при сохранении в них растворимых солей. Опыты делались в стеклянном цилиндре. Старались брать для опытов монолитную породу с ненарушенной естествен­ной структурой и затем ее смачивали. Поскольку снизу цилиндр был закрыт, соли не могли уйти; тем не менее получилась большая просадка породы, заключенной в цилиндр. Следовательно, дело не в том, что ушла соль, а в том, что произошло что-то с самой породой. Было сдела­но много тщательных исследований явлений просадки во многих местах. Производился ряд довольно разнообраз­ных экспериментов в шурфах, замачивавшихся водой, вели наблюдения над проявлениями просадочных движений пород в природе. Параллельно до опыта, в течение всего опыта и после него, велось углубленное исследование механических свойств химического состава пород.

Особый интерес представляют наблюдения над объем­ным весом лесса. Нормальный удельный вес его около 2,6; объемный вес падает в некоторых случаях до 1,3. Ока­залось, что чем меньше объемный вес, тем резче сказываются явления просадки, а при большом объемном весе они почти исчезают. В первом случае мы имеем очень легкую породу с таким распределением частиц, что при избыточ­ном увлажнении может произойти передвижка их и вслед за ней просадка. В последнем случае структура породы такова, что отдельные зерна ее передвигаться не могут, поэтому просадка невозможна.

 

Продукция