Основные физико-механические свойства горных пород, необходимые для проектирования и строительства. Методы определения абсолютного и относительного возраста пород

1. Процесс выветривания.

Под процессом выветривания понимают разрушение и изменение состава горных пород, происходящие под воздействием различных агентов, действующих на поверхности земли, среди которых основную роль играют колебания температур, замерзание вод, кислот, щелочей, углекислоты, действие ветра, организмов.

Особенностью процесса выветривания является постепенное и постоянное разрушение верхних слоёв литосферы. В результате этого горные породы и материалы дробятся, изменяют свой химико-минеральный состав.

Воздействие на земную поверхность, на толщи скальных горных пород, процесса выветривания приводит к образованию коры выветривания, которая состоит из видоизменённых выветриванием горных пород и продуктов их разрушения.

По интенсивности воздействия тех или иных агентов выветривания и характеру изменения горных пород принято выделять три вида выветривания: физическое, химическое, биологическое.

Физическое выветривание выражено в механическом дроблении пород без существенного изменения их минерального состава. Породы дробятся в результате колебания температур, замерзания воды, механической силы ветра и ударов давления песчинок, переносимых ветром, кристаллизации солей в капиллярах, давления, которые возникают  в процессе роста корней растений и т. д.

Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород путём растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе является вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

В породах кроме растворения протекают реакции обмена, замещении, окисления, гидратации и дегидратации. Простейшим видом химического выветривания является растворение в воде.

Биологическое выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности  живых организмов и растений. Механические разрушения производят растения своей корневой системой, живые организмы, особенно из числа землероев. Растения, животные, микроорганизмы и низшие растения выделяют различные кислоты и соли, которые весьма активно взаимодействуют с горными породами, разрушая их.

Геологическая деятельность ветра.  Выражается в разрушении земной поверхности (выдувание, или дефляция, обтачивание, или корразия), перенос продуктов разрушения и отложение (аккумуляция) этих продуктов виде скоплений различной формы.

Выдувание (дефляция) возникает в результате воздействия механической силы ветра. Наиболее ярко этот процесс проявляется в районах, сложенных рыхлыми или мягкими породами. От этих пород отрываются и уносятся частицы.

Корразия Движение ветра часто сопровождается переносом пыли, песка и даже гравия. Ударяясь о твердые породы, они перетирают, сверлят и обтачивают их поверхность. Появляются борозды, желоба, углубления.

Эоловые отложения перенос ветром частиц совершается во взвешенном состоянии (глинистые, пылеватые частицы) или путем перекатывания (песчаные частицы), в зависимости от скорости ветра и размера частиц. При меньшей скорости ветра и других благоприятных условиях происходит отложение переносимого материала (аккумуляция). Так образуется ветровые  (эоловые) отложения

Геологическая деятельность атмосферных осадков.

а) Образование наносов. Продукты выветривания пород смываются потоками с возвышенностей на склоны и к их подножию. Со временем в этих местах накапливаются отложения наносов: на склонах и у их подошвы – делювий, в понижениях, примыкающих к склонам, пролювий

б) Образование оврагов. При таянии снегов и дождя на склонах рельефа отдельные струйки образуют временные ручьи. Возникает струйчатая эрозия, что приводит к образованию вытянутых понижений рельефа – оврагов

в) Селевые потоки. Сель представляет собой временные, но бурные грязекаменные потоки, возникающие в горных районах. Сели вызываются дождевыми ливнями или быстрым таянием снегов и ледников в горах. Огромная масса воды устремляется вниз по ущельям, смывая и захватывая по дороге элювий и делювий. В результате водный поток превращается в грязекаменный.

г) Снежные лавины. Это обрушение больших масс снега с крутых гор. На высоких горных хребтах постоянно накапливается снег. Под действием собственной тяжести масса снега, от перегрузки, порыва ветра и даже от звукового колебания воздуха, приходит в движение и обрушивается вниз. Склон протяженностью от 100 до 500 метров и уклоне 30-40о является оптимальным, для формирования лавины

Геологическая деятельность рек. Полноводные реки совершают большую геологическую работу – разрушение горных пород (эрозия), перенос и отложение (аккумуляция) продуктов разрушения. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. Речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на породы растворяющее действие.

Перенос продуктов эрозии осуществляется различными способами: в растворенном виде, во взвешенном состоянии, перекатыванием обломков по дну, сальтацией (подпрыгиванием). До 25-30% всего материала река переносит в растворенном состоянии. Во взвешенном состоянии передвигаются пылевато-глинистые и тонкопесчаные частицы.

При определенных условиях река откладывает обломочный материал. Речные отложения называют аллювиальными. На первой стадии развития река обладает большой скоростью течения из-за того, что дно имеет значительный уклон. Обломочный материал почти весь поступает в морской бассейн. Действует донная эрозия. На второй стадии река вырабатывает равновесный профиль. Река размывает свои берега. Обломочный материал  в большей своей части оседает в русле.

Геологическая деятельность моря. Вследствие вертикальных колебаний земной коры моря перемещаются, как бы переливаются с одного места на другое. В одних местах  берег отступает, и населенные пункты заметно удаляются от моря. В других море наступает, берег погружается под воду. Геологическая деятельность моря в виде разрушения горных пород, берегов и дна называют абразией. Основную разрушительную работу совершают: морской прибой и в меньшей степени морские течения (прибрежные, донные, приливы и отливы). Волны воздействуют на берег постоянно. Под силой удара морские берега разрушаются, образуются обломки пород, которые подхватываются волнами и «бомбардируют» берега.

Кроме механического разрушения, морская вода оказывает химическое воздействие. Значительное разрушительное воздействие оказывают многие морские растения и организмы. Например, планктон, создавая слой обрастания, может разрушать бетон и камень.

Разрушительная работа течений невелика. Наибольшее значение течения имеют в переносе продуктов разрушения. Во взвешенном состоянии ими транспортируются растворенные вещества и песочно-глинистые частицы. Более крупные частицы и обломки пород особенно при приливно-отливных течениях переносятся в основном волочением по дну.

Геологическая деятельность в озерах, водохранилищах, болотах.

Озера – замкнутые углубления на поверхности земли, заполненные в большинстве своем пресной водой и не имеющие непосредственной связи с морем.

Разрушительная работа озер проявляется в абразивной деятельности волн, нагоняемых ветром. Постоянно дующие в определённых направлениях ветры вызывают волны, которые прибоем подмывают берега. Каждое поднятие или опускание уровня воды в озерах вызывает абразивные процессы. Большое влияние на положение уровня воды оказывает тектоническая деятельность земной коры, а также деятельность человека.

Созидательная работа озер заключается в образовании отложений.

В искусственных водохранилищах так же, как и в морях и озерах, наблюдается абразивная работа вод, здесь она происходит неизмеримо более интенсивно. Это объясняется тем, что речные долины, в которых создают водохранилища, образовались под действием эрозии рек и их профиль не соответствует новым условиям, которые возникают при заполнении водой почти всей долины. Водохранилища стремятся выработать новый профиль берегов, и размыв береговой линии происходит особенно интенсивно.

Избыточно увлажненные участки земной поверхности с развитой на них специфической растительностью называют болотами. Заболоченные земли формируются там, где наблюдается уменьшение водопроводности грунтов или ухудшение условий испарения воды, поверхностного ее стока и подземного дренирования.

Геологическая деятельность ледников. При своём движении лед истирает и вспахивает поверхность земли, создавая котловины, рытвины, борозды. Эта разрушительная работа совершается под действием тяжести льда. В лед вмерзают обломки пород. Наличие трещин благоприятствует проникновению обломков внутрь и в нижнюю часть ледников. Таким способом обломочный материал передвигается вместе с ледником. При движении ледника эти обломки, в свою очередь, оказывают разрушающее действие на поверхность земли.

При таянии льда весь обломочный материал отлагается. Образуются значительные по мощности ледниковые отложения (морены). При таянии ледника образуются постоянные потоки талых вод, которые размывают донную и конечную морены. Вода подхватывает материал размываемых морен, выносит за пределы ледника и откладывает в определенной последовательности. Вблизи границ ледника остаются крупные обломки, дальше осаждаются пески и еще дальше – глинистый материал. При наступлении и отступлении ледника последовательно смещаются зоны накопления материала по его крупности. Если на глины накладываются пески и более крупные обломки, то ледник наступал, продвигался вперед, область оледенения расширялась. Наложение на крупные обломки и пески глинистых осадков говорит о периоде отступления ледника.

Движение горных пород на склонах рельефа местности.

При определенных условиях и под влиянием гравитации, горные породы, слагающие склон, могут прийти в движение. Начинается смещение их вниз по склонам. В результате этого образуются осыпи, курумы, обвалы и оползни

Осыпи. На крутых склонах, особенно в горных районах, активно действует процесс физического выветривания. Породы растрескиваются, и обломки скатываются вниз по склонам до места, где склон выполаживается. Так у подножья склонов образуются валы из накопленных продуктов осыпания – глыб, щебня, более мелкие обломки. Характерной особенностью осыпей является их подвижность. Масса обломков нарастает и находится в рыхлом, весьма неустойчивом положении и приходят в движение за счет увеличения общего веса, сильного увлажнения, подрезки нижней части осыпи дорогами, от землетрясений и даже от более мелких сотрясений, возникающих при работе механизмов или движении транспорта.

Курумы. В результате разрушения скальных пород у подошвы склонов скапливаются крупные обломки и глыбы. По своему местоположению обломки чаще всего тяготеют к пологим склонам, что свойственно ложбинам и днищам долин. Каменные россыпи, или курумы, образуют единую массу глыб от вершины до подошвы склона. Особенность курумов – это их передвижение. Масса обломков, огромных глыб постоянно ползет вниз по склону, так как глыбы лежат на глинисто-суглинистом слое.

Обвалы - это обрушение более или менее крупных масс горных пород с опрокидыванием и дроблением. Обвалы возникают на крутых склонах (более 45-50о) и обрывах естественных форм и рельефа (склоны речных долин, ущелья, побережья морей), а так же в строительных котлованах, траншеях, карьерах. Связаны с трещиноватостью пород, подмывом или подрезкой склонов, избыточным увлажнением пород, перегрузкой обрывов, землетрясениях. В большинстве случаев, обвалы проявляются в периоды дождей, таяния снега, весенних оттепелей.

Оползни – это скользящее смещение горных пород на склонах под действием гравитации при участии поверхностных или подземных вод. Оползни свойственны склонам долин, оврагов, балок, берегам морей, искусственным выемкам. Они разрушают здания и сооружения на самих склонах и ниже их. Для возникновения оползня необходимы определенные условия: высота, крутизна и форма, геологическое строение, свойства пород, гидрогеологические условия.

Крутые склоны (свыше 15о) более подвержены оползням. Оползни свойственны склонам выпуклой и нависающей конфигурации. Типичными оползневыми породами считаются глинистые образования. Подавляющее количество оползней приурочено к выходам подземных вод.

Суффозионные процессы. При фильтрации подземная вода вымывает из пород составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц называется суффозией. Различают два вида суффозии – механическую и химическую. Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления. Суффозионные процессы разделяют на два вида – механическую и физическую. При механической фильтрующая вода отрывает от породы и выносит во взвешенном состоянии целые частицы (глинистые пылеватые, песчаные). При химической вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты).

Карстовые процессы. Это процессы выщелачивания водорастворимых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами осадков и образования в них различных пустот. Для карстового процесса, в отличие от обычной суффозии, главным является растворение пород и вынос из них веществ в растворенном виде.

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.

Плывунами называют рыхлые водонасыщенные породы, обычно пески, которые при вскрытии различными горными выработками разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости. Основной причиной проявления у пород плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которое создается в результате перепада (градиента) давления грунтовых вод при вскрытии котлована (траншеи и т. д.)

Просадочные явления в горных породах. Лессовые породы представлены суглинками, реже – супесями. По гранулометрическому составу лессовые грунты подразделяют на супеси, суглинки, глины. Просадочность – явление, характерное для многих лессовых пород. Просадка связана с воздействием воды на структуру пород с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самой породы или при суммарном давлении собственного веса и веса объекта. Уплотнение пород приводит к опусканию поверхности земли в местах замачивания водой.

Эрозия

Разрушение горных пород реками называют эрозией. Эрозия осуществляется динамическим воздействием воды на горные породы. К тому же речной поток истирает породы обломками, которые несет вода, да и сами обломки разрушаются и разрушают ложе потока трением при перекатывании. Одновременно вода оказывает на горные породы растворяющее действие. 

На первой стадии эрозии река углубляет свою долину, вырабатывает определенный продольный профиль, стремясь достигнуть максимальной глубины. Обломочный материал почти весь попадает в морской бассейн. Положение профиля зависит от базиса эрозии, под которым понимают уровень моря или каких-либо других бассейнов, куда впадает река (или прекращает свое движение). Дно реки имеет значительный уклон, поток обладает большой скоростью, интенсивно действует донная эрозия. Такая стадия развития типична для горных, т. е. молодых рек. На первой стадии река достигает своей максимальной глубины

На второй стадии река имеет небольшой уклон, скорость потока падает, глубинная эрозия заменяется боковой. Река размывает свои берега, русло долины блуждает. Долины широкие, пологие Обломочный материал в большей своей части оседает в русле. Такие реки находятся в состоянии старости.

Последовательность стадийного развития рек нарушает движение земной коры, которое меняет высотное положение базиса эрозии или верховьев рек. Опускание базиса или поднятие верховья переводит реку на первую стадию развития. Поднятие базиса или опускание верховья приводит к старению реки.

Борьба с эрозией рек

С боковой эрозией борются укреплением берегов с регулированием течения реки. В зависимости от геологического строения берега, характера и места размыва укрепление проводят устройством набережных, подпорными стенками, свободной наброской бутового камня или в фашинных тюфяках, укладкой железобетонных плит и т. д. Хорошо защищает берег струенаправляющие стенки, дамбы и буны. Подводную часть берега следует укреплять каменной наброской и фашинными тюфяками, загруженными камнями, надводную крепят бетонными армированными плитами, подпорными стенками, камнем в плетневых сетках.

Донная эрозия опасна для опор мостов, поэтому они должны иметь достаточное заглубление, следует учитывать движение льда, т. к. заторы могут вызвать резкий подъем воды. Заторы следует разрушать, а в местах их образования заранее производить обваловывание берегов. Сооружения  и берега долины следует защищать от паводковых вод земляными дамбами, отсыпкой камня и другими способами.

Химическая суффозия

При фильтрации подземная вода вымывает из пород составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок.

Суффозионные процессы разделяют на два вида – механическую и физическую. При химической вода растворяет частицы породы (гипс, соли, карбонаты).

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления. И превышение некоторой критической скорости воды. Как механическая, так и химическая суффозия активно проявляется вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий – формированием воронок депрессии, колебание 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, на орошаемых территориях.

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

Борьба с суффозией

При возведении объектов используются различные приемы строительства:

Прорезка фундаментами зданий слоя суффозионного грунта;

Водозащита оснований от проникновения в них атмосферных и технических вод;

Страницы: 1, 2, 3, 4