Инженерно-геологические процессы

Содержание 
 
Раздел 1. Основы грунтоведения. 
1.1 Структура грунтоведения……………………………………………………3

1.2 Классификация грунтов (по гранулометрическому составу, числу пластичности, минералогическому составу……………………………………4 
1.3 Физические свойства грунтов (влажность грунта, влажность на границе текучести, влажность на границе раскатывания, плотность грунта, плотность частиц грунта, пористость, льдистость, проницаемость грунта)………….….7 
1.4 Механические свойства (модуль Юнга, компрессионная кривая грунта, сопротивление грунтов сдвигу, закон Кулона-Мора, понятие инженерно-геологический элемент)…………………………………………………………..8 
Раздел 2.Инженерно-геологические процессы (и способы защиты от их проявлений) 
2.1. Классификация процессов ……………………………………….………...13 
2.2. Выветривание (виды, элювий)……………………………………………..15

2.3. Карст…………………………………..……………………………………..22 
2.4. Абразия берегов морей, озер и водохранилищ……………………………23 
2.5. Гравитационные процессы (оползни, обвалы, коллювий, элементы оползня…………………………………………………………………………...23 
Раздел 3. Региональная инженерная геология 
3.1. Инженерно-геологические условия (примеры)…….…………………….24 
3.2. Инженерно-геологическое районирование……………………………….25 
3.3 Инженерно-геологические карты (масштабы и назначение)…………….26 
Раздел 4. Инженерно-геологические изыскания 
4.1 Состав инженерно-геологических изысканий (лабораторные и полевые методы исследования грунтов, определяемые ими характеристики грунта)………………………………………………………………………..….27 
4.2 Содержание отчета по инженерным изысканиям………………………...28 
Список литературы……………………………………………………………..31 

 
Раздел 1. Основы грунтоведения.

 
1.1. Структура грунтоведения

 
       Содержание грунтоведения как науки вытекает из определения термина «грунт». Под грунтами принято понимать любые горные породы, почвы и техногенные образования, обладающие определёнными генетическими признаками и рассматриваемые как динамичные многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека.  
       Грунтоведение включает в себя общее, региональное и геодинамическое грунтоведение. 
      Общее грунтоведение – научный раздел грунтоведения, исследующий общие особенности состава, состояния, строения и свойств грунтов и их ассоциаций, закономерности их формирования и пространственно-временного изменения под воздействием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов. В рамках этого раздела исследуются логическое (общепланетарное) разнообразие химико-минерального и структурно-текстурного многообразия грунтов и их свойств и влияние на них различных факторов. Общее грунтоведение исследует объект в основном в признаковомпространстве. 
      Региональное грунтоведение – научный раздел грунтоведения, исследующий особенности пространственного распределения грунтов, пространственно-временные закономерности формирования их состава, состояния и свойств и изменение под воздействием современных и прогнозируемых природных и антропогенных процессов. Региональное грунтоведение исследует свой объект чаще всего в геологическом пространстве, причем он (объект) может рассматриваться и в морфологическом, и в ретроспективном, и в прогнозном планах. Региональное грунтоведение представляет собой научный раздел региональной инженерной геологии. 
      Геодинамическое грунтоведение – научный раздел грунтоведения, исследующий закономерности пространственно-временного изменения состава, состояния и свойств грунтов под влиянием природных и антропогенных современных и прогнозируемых геологических процессов.     Объект – динамическая система – в этом случае обычно изучается в физической временной системе в геологическом пространстве.        Геодинамическое грунтоведение является одновременно и частью инженерной геодинамики.  
       Общее, региональное и геодинамическое грунтоведение тесно связаны между собой как по объекту, так и по методам исследования. Каждый из этих научных разделов изучает разные стороны исследуемого объекта и вносит необходимый элемент и познание грунтов и грунтовых толщ.

1.2. Классификация грунтов (по гранулометрическому  составу, числу пластичности, минералогическому составу)

         Рыхлые  грунты состоят из механической  смеси частиц различных размеров. Частицы, близкие по крупности, объединяют в группы, которые называют гранулометрическими (зерновыми) фракциями. Гранулометрический состав грунта, т. е. весовое содержание в нем различных фракций, выраженное в процентах по отношению к общему весу сухого грунта, весьма разнообразен и оказывает большое влияние на его важнейшие физико-механические свойства.

          Отдельные  фракции грунта классифицируются по крупности следующим образом:

     Твердые частицы имеют различную форму (шарообразную, пластинчатую, тонкоигольчатую и пр.). Лабораторное определение гранулометрического состава грунта зависит от крупности частиц. Для выделения фракций крупнее 0,05 мм применяют ситовый анализ (просеивание через сита с различным диаметром отверстий), а менее 0,05 мм - пипеточный метод (по скорости оседания частиц в спокойной воде).

       Минеральные частицы грунтов или отдельные агрегаты (скопления частиц) могут быть связаны или не связаны между собой так называемыми структурными связями. К несвязным относят крупнообломочные и песчаные грунты, наименование которых устанавливается по зерновому составу (табл. 3).

Таблица 3   Виды крупнообломочных и песчаных грунтов

       Внутренние связи препятствуют перемещению частиц или агрегатов грунта, а их прочность, жесткость и упругость являются важными факторами, определяющими свойства грунтов как оснований сооружений и как строительного материала (э насыпях, дамбах, плотинах и т. д.).

       Различные глинистые грунты относятся к связным: они обладают способностью сопротивляться разрыву.

Наименование таких грунтов можно установить по содержанию в них глинистых частиц (табл. 4).

Таблица 4  Классификация глинистых грунтов

 
       Это содержание определяют по увеличению объема (набуханию) грунта в воде или по пределу раскатывания. Последний метод заключается в следующем: из грунта делают пластичный шарик диаметром 5—8 мм и на листе бумаги или на ладони раскатывают в жгут до минимального диаметра, при котором грунт уже начинает крошиться. По этому диаметру и устанавливают содержание глинистых фракций (табл. 5).

Таблица 5 Определение содержания глинистых частиц по пределу раскатывания грунта

 
        Связь между отдельными частицами или агрегатами глинистого грунта обусловливается главным образом их взаимодействием с молекулярной водой  (водно-коллоидные связи) и появлением различных цементирующих веществ в местах контактов между минеральными составляющими (кристаллизационные связи).

        Связность глинистых грунтов главным образом зависит от их минералогического состава, размеров и формы частиц и особенно влажности, в зависимости от которой эти грунты могут находиться в твердом, пластичном и текучем состояниях.

При малой влажности глинистый грунт является твердым телом и может обладать достаточно высокой прочностью. Для его разработки часто требуется применение ударных механизмов и даже проведение взрывных работ.

При большой влажности тот же грунт свободно стекает с лопаты.

Промежуточное положение, в котором находится глинистый грунт между твердым и текучим состояниями, называется пластичным. В этом случае грунт под действием внешних сил легко изменяет свою форму без образования трещин и сохраняет ее после снятия нагрузки.

Переход грунта из одного состояния в другое происходит при определенном для него уровне влажности, который зависит от содержания глинистых частиц. Чем больше таких частиц в грунте, тем больше число пластичности Wп, которое определяется по формуле:  
Wп =Wтек –Wтв где  Wтек - весовая влажность  грунта (в %), соответствующая переходу его из пластичного состояния в текучее или наоборот (верхний предел пластичности); Wтв - весовая влажность грунта  (в  %), соответствующая переходу его из пластичного состояния в твердое или наоборот (нижний предел пластичности). По   числу   пластичности   можно   определить   разновидность грунта:   Wп >17 - глины;    Wп = 17-7 - суглинки;     Wп = 7-1 - супеси. Например, если Wтек = 25%, а Wтв =15%, то число пластичности Wп равно 10, и грунт относится к суглинкам.

Если число пластичности грунта менее 1, значит он совсем не обладает пластичностью и при увлажнении сразу переходит из твердого состояния в текучее. Такое свойство характерно для крупнообломочных и песчаных грунтов, имеющих Wп<1.

Особую разновидность глинистых грунтов представляют лессы. Важнейший признак этих грунтов - наличие крупных пор (макропор), размеры которых превышают диаметр минеральных частиц. По гранулометрическому составу лессовые грунты отличаются однородностью с преобладанием пылеватых фракций (обычно более 50%). Кроме указанных характерных признаков, лессовые грунты быстро размокают в воде (в течение 1-2 мин) и вскипают при действии на них кислоты (так как содержат углекислый кальций).

Все мелкозернистые грунты - от слабоглинистых песков до жирных супесей - при определенных гидродинамических условиях могут переходить в плывунное состояние и превращаться в густую, вязкую жидкость. В этом состоянии их называют плывунами. Они содержат значительное количество мельчайших частиц - ультраколлоидов, которые при взбалтывании такого грунта в дистиллированной воде долгое время (несколько месяцев) могут находиться во взвешенном состоянии.

 
1.3. Физические свойства грунтов (влажность, плотность, пористость) 
 
         Представим себе некоторый объем трехкомпонентного грунта массой , разделенный на отдельные компоненты, где , — соответственно объем и масса твердой, жидкой и газообразной компонент грунта . Тогда , так как масса газообразной составляющей ничтожно мала и не оказывает влияния на результаты определений. 
         Плотность грунта (г/см3, т/м3) - отношение массы грунта к его объему: .  
Величина плотности грунта зависит от минерального состава, влажности и характера сложения (пористости) грунтов. С увеличением содержания тяжёлых минералов она увеличивается, а при увеличении содержания органических веществ уменьшается. С увеличением влажности плотность возрастает; максимальной при данной пористости она будет в случае полного заполнения пор водой. С увеличением пористости плотность грунта уменьшается. Плотность дисперсных грунтов колеблется обычно от 1,30 до 2,20 г/см3. Грунты, характеризующиеся наличием жёстких кристаллизационных и цементационных связей между частицами, обладают большей плотностью, которая при малой пористости приближается к значению плотности твёрдых частиц.  
       Влажность грунта - отношение массы воды к массе твердых частиц, выражаемое в долях единицы, иногда в процентах: .  
       Плотность частиц грунта (г/см3, т/м3) определяется как отношение массы твердых частиц грунта к их объему: .  
       Плотность сухого грунта (плотностью скелета грунта) - отношение массы сухого грунта (частиц грунта) к объему всего грунта: или .  
       Пористость грунта - отношение объема пор ко всему объему грунта, что соответствует объему пор в единице объема грунта: .  
      Пористость и коэффициент пористости характеризуют структуру грунта. Весовая пористость характеризует влажность грунта при полном заполнении пор водой. Пористость, не являясь расчетной величиной, используется как весьма важная вспомогательная характеристика при некоторых расчетах, например при выборе расчетных сопротивлений грунтов, при построении компрессионной кривой, при вычислении характеристик сжимаемости и др.  
Относительное содержание твердых частиц в единице объема грунта, тогда .  
     Коэффициент пористости грунта - отношение объема пор к объему твердых частиц: или .  
      Степень влажности (степень водонасыщения) - отношение объема воды в порах грунта к объему пор и соответствует отношению влажности грунта к его полной влагоемкости: или .  
 
1.4. Механические свойства (компрессионная кривая грунта, сопротивление грунтов сдвигу) 
      Механическими называются те свойства грунтов, которые характеризуют их поведение под нагрузкой.

     Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации[1]. Назван в честь английского физика XIX века Томаса Юнга. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле — как функционал среды и процесса. В Международной системе единиц (СИ) измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.

Модуль Юнга рассчитывается следующим образом:

где:

• E — модуль упругости,
• F — сила,
• S — площадь поверхности, по которой распределено действие силы,
• l — длина деформируемого стержня,
• x — модуль изменения длины стержня в результате упругой деформации (измеренного в тех же единицах, что и длина l).

Через модуль Юнга вычисляется скорость распространения продольной волны в тонком стержне:

где   — плотность вещества.

Компрессионная кривая

Поскольку уплотнение и разуплотнение, грунта непосредственно связаны с изменением его пористости, в проектно-изыскательской практике результаты компрессионных испытаний традиционно представляют в виде компрессионной кривой  -  зависимости коэффициента пористости грунта от сжимающего напряжения.

Компрессионные кривые и зависимости изменения относительной деформации от напряжения:

1  -  нагружение; 2  -  разгрузка

Если исходить из того, что твердые частицы грунта и норовая вода практически несжимаемы и жесткое металлическое кольцо полностью препятствует боковым деформациям, то сжатие образца в одометре компрессионного прибора происходит только за счет уменьшения объема пор. Следовательно, объем твердых частиц в образце грунта в процессе его уплотнения остается постоянным, а объем пор уменьшается. Тогда в соответствии с определением уменьшение коэффициента пористости при изменении объема образца грунта в связи с его уплотнением будет иметь вид.

С другой стороны, поскольку образец деформируется без возможности бокового расширения, общее уменьшение объема пор (пористости) будет численно равно произведению осадки образца на его площадь A. Объем твердых частиц в образце в соответствии с формулой определится. Формулой пользуются для вычисления коэффициентов пористости грунта при каждой данной ступени нагрузки и построения по результатам опытов компрессионной кривой. Естественно, что эти же рассуждения соответствуют и случаю разгрузки образца, тогда в формулах знак минус надо заменить на плюс 
       Компрессионная кривая изображается в координатах: коэффициент пористости e - давление p, МПа. Для полностью водонасыщенных глинистых грунтов она может быть представлена в координатах: влажность w - давление p, МПа. Зависимость осадки штампа s, мм, от нагрузки p, МПа, представлена на графике.        
        С увеличением давления кривая становится более пологой, так как грунт при этом постепенно уплотняется и становится менее сжимаемым. 
Закон сжимаемости в дифференциальной форме имеет вид где e - коэффициент пористости, p - давление, m0 - коэффициент сжимаемости. Знак минус перед m0 вызван тем, что при увеличении давления коэффициент пористости уменьшается. В разностной форме этот закон записывается и формулируется так: отношение приращений коэффициента пористости и давления есть величина постоянная, равная коэффициенту сжимаемости с обратным знаком.

Сопротивление грунтов сдвигу

Сдвиговой прибор представляет собой толстостенный цилиндр, состоящий из 2 частей, одна из которых неподвижна, а другая может смещаться на величину S от действия сдвигающей нагрузки Т.

В прибор помещается образец грунта и нагружается давлением Р1, затем прикладываем ступенями сдвигающую нагрузку (Т), происходит сдвиг (разрушение образца) при τ1.

Берём второй образец с Р2 и получаем τ2.

Фотография локализованного объема сдвига грунта в сдвиговом приборе

На приведенной фотографии показана зона локализованного сдвига, возникающая в месте среза в образце грунта. Отдельные полосы, полученные в результате проведенного опыта, показывают зону развития касательных напряжений τ в образце грунта по мере возрастания сдвигающей нагрузки (Т). В момент разрушения образца грунта касательные напряжения достигают максимального значения τ.

Существуют большое разнообразие типов сдвиговых приборов, применяемых в лабораторных испытаниях

Результаты испытаний на сдвиговом приборе могут быть представлены следующей схемой:

Здесь:

• φ – угол внутреннего трения грунта;
• Ре – давление связности;
• С – сцепление глинистого грунта (начальный параметр прямой).

На представленном рисунке приведены результаты испытаний (доведение до разрушений) 3 образцов грунта, обжатого давлениями Р1< Р2< Р3(левый график представленной схемы). В результате в момент разрушения образца грунта получаем максимальные значения касательных напряжений сдвига τmax1,τmax2, τmax3, значения которых откладываем на графике τmax=τmax(Р) (средний и правый графики представленной схемы). Различие в очертании графиков на данных схемах обусловлено свойствами песка и глины (обладающей способностью сцепления).

Таким образом, математическая формулировка III закона механики грунтов, или сопротивления грунта сдвигу (закон Кулона), может быть представлена зависимостью τ = С + f(Р) или сформулирована в следующим определением:

Сопротивление грунта сдвигу есть функция первой степени от нормального давления (при консолидированном состоянии грунта).

Представленные зависимости отражают работу грунта при консолидировано-дренированных испытаниях, что чаще всего отвечает работе возводимых сооружений.

Однако в ряде случаев, необходимо получать характеристики грунтов при неконсолидированном-недренированном состоянии – быстрый сдвиг (устойчивость стен котлованов, насыпей и т.д.), что имеет первостепенное значение для глинистых водонасыщенных грунтов.

На приведенной ниже схеме показано, что сопротивление быстрому сдвигу связных водонасыщенных грунтов зависит в основном только от влажности W . Такие грунты будут обладать лишь параметром сцепления (С) при практическом значении угла внутреннего трения равного нулю φ≈0.

Закон Кулона-Мора

       Теория прочности Мора имеет две характерные особенности. Первая заключается в том, что абсолютные значения нормального и касательного напряжений по площадке сами по себе не оказывают влияния на прочность, в решающее значение имеет отношение этих напряжений. В самом деле, следует, что ф = у tgp если увеличить пропорционально значения ф и у, как показано пунктиром, то отношение их ф/ у, остается без изменений и будет равно тангенсу угла p (отклонения равнодействующей напряжений р от нормали к площадке). Этот угол p называютуглом отклонения. Очевидно, что чем больше этот угол, тем меньше при том же p величина у и больше ф и тем ближе к моменту разрушения будет система. Значение угла p, при которой наступает сдвиг называется предельным углом отклонения и обычно обозначается ц. Вторая особенность теории Мора заключается в следующем: проекция напряжений, нормальных к плоскости чертежа на эту плоскость, равна нулю. Поэтому эти напряжения не оказывают влияния на величины ф и у в рассматриваемой плоскости, а следовательно, и не влияют на их отношение. Если рассматриваемая плоскость является плоскостью главных напряжений, например (у1, у3), то на значения ф и у по площадке сдвига не будет оказывать влияния третье главное напряжение у2, перпендикулярное плоскости чертежа. Легко сообразить, что наибольшее значение угол p имеет тогда, когда рассматривается плоскость действия наибольшего и наименьшего главных напряжений. Следовательно, вторая особенность теории Мора заключается в том, что она по самой своей сути не может учесть влияния на прочность третьего главного напряжения, хотя в формулу энергетической теории прочности это напряжение входит.

           Опыты показывают, что для одних материалов можно, действительно, пренебрегать влиянием третьего главного напряжения в силv незначительности этого влияния, тогда как для других это напряжение необходимо учитывать. Положение площадок сдвига. Пользуясь свойствами полюса крута Мора, можно легко найти положение площадок сдвига в разрушающемся теле. Из этого построения отчетливо видно, что угол в между двумя площадками сдвига в данной точке зависит при криволинейной огибающей от напряжений у1, у3, так как при изменении этих напряжений угол о наклона линий MP будет изменяться. У материалов с одинаковым сопротивлением на растяжение и сжатие огибающие кругов Мора превращаются в две параллельные прямые, и углы наклона площадок сдвига к площадкам главных напряжений у1, у3 становятся одинаковыми и равными 45°. 

Инженерно-геологический элемент

       Рассмотрим иерархическую систему инженерно-геологических тел, начиная с низшей категории — инженерно-геологического элемента (ИГЭ). Инженерно-геологическим элементом следует считать инженерно-геологическое тело, представленное одной горной породой, статистически однородное по некоторому показателю свойств, выбираемому в каждом конкретном случае исходя из требований расчета того или иного инженерно-геологического процесса, который выполняют при проектировании сооружения.

         Объем и конфигурацию ИГЭ устанавливают, учитывая геологические данные и данные о типе, конструкции и технической характеристике сооружения. Это определение уточняет понятие ИГЭ, предложенное Н. В. Коломенским. При расчете осадки сооружения (величины уплотнения геологической среды в его основании) активную зону СВ следует расчленить на инженерно-геологические элементы, т. е. на инженерно-геологические тела, статистически однородные по модулю общей деформации — коэффициенту сжимаемости (рис. 1.1). При расчете фильтрации зона фильтрации должна быть разделена на ИГЭ, статистически однородные по величине коэффициента фильтрации.

Рис. 1.1. Структура зоны уплотнения (активной) сферы взаимодействия сооружения. 
1 — глины; 2 — суглинки; 3 — супеси; 4 — пески; границы: 5 — геологические, 6 — инженерно-геологических элементов, 7 — расчетных элементов (РЭ), 8 — зоны сферы взаимодействия

Внутри СВ обычно развиваются разные инженерно-геологические процессы, поэтому одни и те же области геологической среды могут быть разделены на различное число ИГЭ в разных зонах СВ в зависимости от инженерно-геологических процессов, расчет которых ведут при проектировании ПТС. ИГЭ, относящиеся к разным зонам, могут пересекаться в одной области геологического пространства, так как различные зоны СВ, выделяемые по инженерно-геологическим процессам, как правило, не граничат друг с другом, а пересекаются. Пересечение ИГЭ означает, что один и тот же объем геологической среды одновременно принадлежит к двум ИГЭ, выделенным по разным показателям свойств.

Таким образом, объем литосферы, включенный в ИГЭ, и требования к ее свойствам изменяются в зависимости от того, какое положение занимает ИГЭ внутри СВ.

 
Раздел 2.Инженерно-геологические процессы

 
2.1. Классификация процессов 
        Классификация процессов в инженерной геологии ведётся с учётом главных действующих сил, под влиянием которых возникают и развиваются инженерно-геологические процессы. 
      Эндогенные процессы. 
- Природные — орогенные, эпелгрогенические движения земной коры; сейсмические явления; вулканизм.  
- Вызванные деятельностью человека — сейсмические, вызванные взрывом; опускание поверхности при добыче полезных ископаемых и откачке воды. 
Экзогенные природные и вызванные деятельностью человека.  
         Климатического характера:  
- выветривание — подвержены все породы;  
- криогенные и посткриогенные — преобладают морозобойные растрескивания. 
Ветрового характера (эоловые — перевевания коренных пород выпадающие в виде эоловых осадков).  
      Водного характера: 
- растворение солоидные, карбонатные, сульфидные, суффозноидные процессы;  
- размывание абразия, речных долин и линейная эрозия;  
- заболачивание — образование болот, торфяников. 
- Обусловленные характером рельефа (склоновые — обвалы, осыпи, курумы, сплавы). 
     Из инженерно-геологических процессов эндогенного характера применять к горно-складчатым областям следует отнести сдвижение горных пород. При углах падения пластов более 20–30°. Сдвижение пород сопровождается их сдвигом поплоскостям напластовывания.  
       В силу этого сдвижения горных пород в горных областях может быть интенсивнее, чем в платформах.   
       В связи с увеличением размеров подземных выработок происходит перераспределение от веса вышележащей толщи пород, которая находится горным давлением, с ним связаны многие инженерно-геологические явления, возникающие в подземных горных выработках — горные удары, выбросы пород. Наибольшую опасность представляют горные удары, происходящие на большой глубине (более 200 м) и преимущественно в породах твёрдой прочности. В выработках угольных шахт наблюдается отбросы угля и газа. В низшей глубине выбросы могут происходить в сильнодисцированных породах.  
         Пучение (поддувание) заключается в выдавливании пород в горные выработки из стенок. Это явление связано в основном, с горным давлением и лишь в некоторой степени с увеличением объёма пород при их набухании или при изменении свойств в результате выветривания. 

 
2.2. Выветривание (виды, элювий)

Выветривание  (weathering, degradation)

- процесс разрушения и изменения  горных пород и минералов в  приповерхностных условиях под  воздействием физико-химических  факторов атмосферы, гидросферы  и биосферы.

Факторами выветривания являются:

1. Колебание температур (суточное, сезонное)
2. Химические агенты: O2, H2O, CO2
3. Органические кислоты (ульминовая, гуминовая)
4. Жизнедеятельность организмов

В зависимости от факторов, вызывающих выветривание различают несколько видов:

Таблица 1

Физическое выветривание

Физическое выветривание пород происходит без изменения их химического состава. Порода просто дробится на обломки с постепенным уменьшением их размера вплоть до песка. Примером такого физического разрушения может служить температурное выветривание.

Температурное выветривание. 

        Температурное  выветривание происходит в результате резких колебаний температур, вызывающих неравномерное изменение объема горных пород и слагающих их минералов. Периодическое нагревание и охлаждение пород при суточных и сезонных колебаниях температур приводит к образованию трещин и к распадению их на глыбы, которые в свою очередь подвергаются дальнейшему измельчению. Чем резче колебания температур, тем интенсивнее проявляется физическое выветривание и наоборот, в условиях «мягкого» климата механическое разрушение пород происходит крайне замедленно. .

Продукты физического выветривания. 

        В результате физического выветривания на поверхности образуются угловатые обломки, которые в зависимости от своего размера подразделяются на: глыбы – (> 20 см); щебень – (20 – 1 см); дресва – (1 – 0.2 см); песок – (2 – 0.1 мм); алеврит – (0.1 – 0.01 мм); пелит – (< 0.01 мм). Скопление этих продуктов приводит к формированию рыхлых осадочных горных пород.

Химическое выветривание

         При химическом выветривании разрушение горных пород происходит с изменением их химического состава главным образом под воздействием кислорода, углекислого газа и воды, а также активных органических веществ содержащихся в атмосфере и гидросфере.

         Главными реакциями, обуславливающими химическое выветривание, являются окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

        Окисление – это переход элементов с низкой валентностью в высоковалентное за счет присоединения кислорода. Особенно быстро окислению подвергаются сульфиды, некоторые слюды и другие темноцветные минералы.

        Лимонит – это самая устойчивая форма существования железа в поверхностных условиях. Все ржавые пленки и ржаво-бурая окраска пород обусловлена присутствием гидроокислов железа. Так как железо постоянно входит в химический состав многих породообразующих минералов – значит при химическом выветривании этих минералов Fe++ перейдет в Fe+++, т.е. лимонит. Окисляется не только Fe, но и другие металлы.

        В условиях недостатка кислорода протекает процесс восстановления, при котором металлы с высокой валентностью переходят в соединения с более низкой валентностью. Подобный процесс наиболее ярко протекает в зонах окисления сульфидных месторождений.

Рис.2. Зона окисления и восстановления сульфидных руд

Выше уровня (зеркало) грунтовых вод располагается зона обогащения O2, и в ней интенсивно протекают процессы окисления, в результате чего сульфиды металлов переходят в сульфаты, которые хорошо растворимы и просачивающимися водами перемещаются вниз до уровня грунтовых вод в зону обедненную кислородом. В этой зоне сульфаты восстанавливаются и переходят во вторичные сульфиды в результате чего возникает зона богатых руд (зона вторичного обогащения). На поверхности же рудного тела в результате окисления и выщелачивания образуется так называемая железная шляпа, которая представляет собой каркас кварца пропитанного лимонитом.

        Гидратация – это химическое присоединение воды к минералам горных пород с образованием новых минералов (гидросиликатов и гидроокислов) с другими свойствами.

Fe2O3 + nH2O ® Fe2O3 ´ nH2O 

 гематит                           лимонит

CaSO4 + 2H2O ® CaSO4 ´ 2H2O

ангидрит                              гипс

превращение ангидрита в гипс всегда сопровождается значительным увеличением объема породы, что приводит к механическому разрушению всей гипс-ангидритовой толщи.

         Растворение – способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе. Оно происходит с различной скоростью для разных пород и минералов. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (галит NaCl, сильвин KCl и др.). Менее растворимы сульфаты, карбонаты.