Инженерная  геодинамика

 

1. Общее представление  о геологических процессах и  их классификация.
2. Процессы, обусловленные деятельностью ветра.

     Литература: В.П.Коробкин П.И. Инж.геол., М., 1973

                 Ананьев, стр. 154 - 156

                 Маслов, Инж.геол. и  геодин., М.,1980

Общие представления о геологических процессах

 

     Инженерная  геодинамика представляет один из основных разделов инженерной геологии, изучающей современные геологические процессы, которые могут оказывать влияние на условия строительства. Любые изменения геологической Среды.

     Примерами геологических процессов являются оползни, землетрясения, просадки т.д., влияние которых на строительство  необычайно важно. В качестве примера можно назвать оползень в долине Вайонт (Италия), унесший 2000 жизней. Там в горном районе была построена арочная плотина высотой 265 м и создано водохранилище. Катастрофический оползень объемом около 300 млн. М³ сполз в водохранилище, и вода была выдавлена из него, образовав волну более 200 м выше плотины. Пять селений ниже плотины были полностью разрушены в течение 7 минут, а сама плотина почти не пострадала.

     Геологические процессы подразделяются на природные и вызванные деятельностью человека. Последние называют антропогенными (от слова антропос - человек) или инженерно-геологическими.

     Дело  в том, что одни и те же процессы могут существовать в природе без вмешательства человека, а могут происходить под влиянием человека. Например, оползни природного характера в долине Волги существовали всегда, но в последнее время их число резко увеличилось под влиянием искусственных факторов. Практически любой геологический процесс может иметь не только природное, но и антропогенное происхождение. Природные геологические процессы подразделяются на эндогенные и экзогенные.

     Эндогенные  процессы (эндо - внутренний) связаны с внутренними силами Земли и выражаются в тектонических движениях, землетрясениях, вулканических явлениях.

     Экзогенные  процессы (экзо - внешний) связаны с силами, действующими на поверхности Земли. Это геологическая деятельность ветра, текучих вод, гравитационных сил и т.д.

     Геологические процессы и вызванные ими явления  зависят от комплекса факторов, но всегда можно выделить один обязательный фактор, без которого этот процесс не может возникнуть. На этом построена классификация процессов.

     Например: процессы, обусловленные деятельностью поверхностных вод - это овражная и речная эрозия, процессы, обусловленные деятельностью ветра - это выдувание и отложение песчаных масс, процессы, обусловленные деятельность подземных вод - это карст, суффозия и т.д.

     В соответствии с этой классификацией и будет вестись изложение.

Процессы, обусловленные деятельностью  ветра

 

     Ветер, дующий на поверхности Земли, обладает значительной силой. При скорости 4 м/сек он способен переносить мелкие песчаные частицы, при более высоких скоростях более тяжелые предметы.

     Среди процессов, связанных с деятельностью  ветра, или эоловых процессов, выделяются выдувание (или дефляция), перенос и аккумуляция песчаных грунтов и вызванные ими явления. Особо выделяются сгонно-нагонные явления

     Дефляция  или выдувание заключается в отрыве песчаных частиц от массива песков. Она в большей степени характерна для засушливых районов с редкой растительностью, где незакрепленные пески легко выдуваются ветром. Крупнейший в Европе массив перевиваемых песков начинается между Волгоградом и Астраханью и уходит на территорию Казахстана (осадки 200 мм, испарение более 1000 мм).

     При уменьшении скорости ветра происходит аккумуляция или накопление песков, которые называются эоловыми отложениями и обозначаются на геологических картах  индексом vQ_IV.

     Эоловые отложения слагают специфические  формы рельефа — дюна на берегах морей и рек, барханы, бугры и гряды. Дюны и барханы способны передвигаться.

     Среди явлений, вызванных перемещением песка  ветром, выделяется корразия (обтачивание). При ударе песчаных частиц о препятствие происходит медленное разрушение его материала. Например, стекла быстро становятся матовыми и непрозрачными.

     Эоловые процессы имеют не только естественное, но и искусственное происхождение. Дело в том, что сложившееся в природе равновесие на слабозакрепленных растительностью песках нарушается очень легко, иногда из-за единичного проезда транспорта, и начинается процесс дефляции.

Причины, обуславливающие  антропогенную  активизацию  следующие:

     1. Беспорядочное движение транспорта.

     2. Ведение земляных работ.

     3. Степные пожары.

     4. Уничтожение растительности выпасом  скота и т.д.

     Чаще  всего очаги антропогенной дефляции приурочены к населенным пунктам  или крупным стройкам. (Например, в Астраханской области в результате непродуманной работы транспорта и различных механизмов за полгода образовалось два  крупнейших массива развеваемых песков площадью несколько кв. километров на площадках строящегося завода «Лотос» и Астраханского газового комплекса.

     Эти и другие побочные очаги разрастаются по направлениям расходящихся от объектов дорог, которые образуют борозды выдувания глубиной более 1 м и в дальнейшем разрастающиеся больше.

     Влияние эоловых процессов

     Эоловые процессы наносят огромный вред народному  хозяйству. Песчаные заносы на строительных площадках, дорогах, сельскохозяйственных угодьях сильно затрудняют условия работы. Большой вред они причиняют мелиоративному строительству, занося каналы и снижая их пропускную способность.

     На  участках линий связи и электропередач выдувание песка у столбов вызывает их падение и обрыв линий. Многие города и поселки в Средней Азии оказались занесенными песками и прекратили свое существование.

     Имеются и более близкие примеры. при  инженерно-геологических изысканиях под вододелитель в дельте реки Волги, вблизи автодороги Волгоград-Астрахань было обнаружено селение, засыпанное песками на 4 метра. При этом оно было засыпано за сравнительно короткий срок, т.к. при проходке шурфа на глубине  4 метра была найдена монета, отчеканенная 200 лет назад.

     Примерно в этих же районах, т.е. Астраханской области, Калмыкии, Западном Казахстане есть современные поселки, железнодорожные станции, буквально под самые окна занесенные песком. Все это —  результат непродуманной деятельности человека, из-за которой  нарушается слабый травяной покров и начинается движение песков. Природа в таких случаях всегда мстит за себя, а восстановить нарушенное равновесие чрезвычайно трудно и дорого.

     Меры  борьбы с движением  песков.

     1. Фитомелиоративный метод – или  закрепление песков растительностью.

     2. Сохранение растительного покрова.

     3. Закрепление песков глинистыми  экранами, битумом, силикатизацией  и т.д. Это дорогие методы.

     4. Искусственное заграждение —  щиты и т.д. 

     Следующее явление, связанное с деятельность ветра, это ветровая нагрузка на здания и сооружения, которая особенно велика у высотных зданий, дымовых труб и т.д., и которую необходимо учитывать при проектировании.

     С деятельностью ветра связаны  также сгонно-нагонные явления. Они  заключаются в подъеме или спаде уровня воды на побережье моря и в устьевых частях рек при постоянно дующих в одном направлении ветрах. На Каспии такие ветры называют «моряной». В результате подъема происходят наводнения. Например, в дельте Волги высота нагонной волны часто достигает 2,8 м, а ширина зоны затопления достигает 10 км. Иногда возникают катастрофические нагоны. Например, в 1952 г. была затоплена полоса побережья шириной 40-50 км, в том числе г. Каспийск.

     Поэтому при проектировании и строительстве  в приморской зоне следует учитывать  возможность сгонов и нагонов. 

     ПРОЦЕССЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ 

     1. Выветривание и его виды.

     2. Влияние выветривания на условия  строительства.

     3. Методы борьбы с выветриванием.

     Ананьев, стр. 151-154

     Маслов, стр. 166-173 

     Выветриванием называется процесс разрушения горных пород под влиянием солнечного излучения, воды, кислорода, живых организмов и т.д.

     Перечисленные причины, влияющие на процесс выветривания, называются факторами выветривания или агентами выветривания.

     Название  процесса не вполне удачно, т.к. ветер, хотя и играет некоторую роль, все же не является основным фактором.

     Выделяются  три основных вида выветривания:

     - физическое;

     - химическое;

     - биологическое.

     Физическое  выветривание преобладает в районах с сухим континентальным климатом, т.е. в основном в пустынях и, наоборот, в арктической зоне.

     Здесь под влиянием резкого колебания  температур, замерзания воды в трещинах грунта происходит их механическое разрушение. Особенно сильно разрушаются породы, состоящие из разноцветных минералов, т.к. темные минералы сильнее нагреваются и увеличиваются в объеме, а светлые гораздо меньше. При этом образуются трещины, в которые попадает вода и расширяет их при замерзании. Скальные породы разрушаются на глыбы, затем на обломки и и.д. Наиболее легко разрушаются глины, которые в течение короткого срока превращаются в мелкую труху. В результате образуется т.н. кора выветривания, или элювий, который на картах и разрезах обозначается индексом eQ_IV.

       
 
 
 

     Химическое  выветривание распространено в районах с влажным климатом, де основным фактором является вода. Вода растворяет горные породы, размягчает их, в результате химических реакций образуются новые химические соединения.

     Например, в тропической зоне кора выветривания, независимо от состава материнских пород представлена толщей новых пород – красных латеритов мощностью 20-50 м.

     Биологическое выветривание связано с жизнедеятельностью живых организмов, которые оказывают как химическое, так и механическое воздействие на грунты. Хорошо известно разрушающее действие корневой системы растений, которые расширяют трещины и проникают на глубину до 20 м. такие организмы, как лишайник в месте прикрепления разрушают и перерабатывают породы. Разрушают грунты и различные землероющие животные.

     Кроме чисто механического воздействия, растительные и животные организмы оказывают на грунты и химическое воздействие. Образующаяся органика видоизменяет грунты.

     На  развитие процессов выветривания оказывает  значительное воздействие инженерно-хозяйственная деятельность человека.

     Типичный пример – это различные заброшенные выемки, котлованы, траншеи и т.д., где открытые грунты начинают активно выветриваться, особенно глины.

     Влияние выветривания на условия  строительства

     Выветрелые  породы имеют свойства, которые резко  отличаются от материнских грунтов. Они обладают повышенной пористостью, размягчаемостью, сжимаемостью, низкой прочностью и т.д. Поэтому, если открытый строительный котлован долгое время был заброшен, образовавшаяся в нем кора выветривания должна быть удалена, т.к. она уже не обладает теми свойствами, которые были учтены в проекте.

     Скальные  грунты на поверхности превращаются в рухляки, свойства которых также резко ухудшены.

     Кроме того, скопление продуктов выветривания на склонах может явиться причиной для образования таких опасных явлений, как оползни, солифлюкация, сели. Это необходимо учитывать при инженерно-геологической оценке местности.

     Меры  борьбы с выветриванием

     1. Покрытие горных пород непроницаемыми  для выветривания материалами.

     2. Пропитывание грунтов различными  веществами.

     3. Нейтрализация факторов выветривания.

     4. Планировка территории для отвода  воды.

     Наилучшими  материалами для покрытия являются глины и суглинки,

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

которые не пропускают влагу и способны погасить колебания  температуры.

      В качестве пропитывающих веществ применяют жидкое стекло, гудрон, цементацию, однако они могут использоваться только в сильно проницаемых грунтах.

      Для нейтрализации растворяющего действия воды иногда вводят в нее раствор  соли, однако этот метод требует  образования стационарных насосных станций для закачки и поэтому дорог.

      Одной из мер борьбы с выветриванием  является отвод поверхностных вод  путем планировок, устройства ливнестоков  и т.д.

      Подземные воды перехватываются различными дренажными системами и устройством искусственных завес (замораживание, цементация, силикатизация и т.д.). Этот метод также очень дорог и чаще всего для наиболее ответственных сооружений – ГЭС и т.д. 

      ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД 

      1. Плоскостной смыв и струйчатая  эрозия.

      2. Оврагообразование.

      3. Селевые потоки.

      4. Геологическая деятельность рек.

      5. Геологическая деятельность морей  и озер.

      6. Заболачивание.

      7. Переработка берегов водохранилищ.

      Ананьев, стр. 159-172

      Маслов, стр. 196-217 

      Плоскостной смыв и струйчатая эрозия.

      Ежегодно на поверхности Земли выпадает 112 км³ осадков. Часть идет на испарение и инфильтрацию, значительная часть – на поверхностный сток.

      Поверхностные текучие воды совершают геологическую  работу, которая складывается из двух процессов – смыва и размыва (эрозии).

      Смыв  – это смещение струйками дождевых или талых вод мелких частиц или обломков горных пород со склонов.

      В результате смыва происходит выполаживание  поверхности земли и образование делювия.

      Делювий представлен обычно суглинками, мелкими  песками, глинами. (Просадочность.)

      Струйчатой  эрозией называется образование во время сильных ливней ручейков, прорезающих на склонах небольшие рытвины или промоины.

        
 
 
 
 

      Смыв  и эрозия причиняют громадный  ущерб сельскому хозяйству, т.к. уничтожает плодородный слой почвы.

      Для борьбы с этими процессами применяют регулирование поверхностного стока, создание защитных лесополос и т.д.

      Оврагообразование

      Промоины, которые образовались при струйчатом размыве, при дальнейшем развитии превращаются в овраги. Стекающая вода обладает значительной размывающей силой, приводящей к росту оврага. Этот процесс идет до определенного момента – выработки профиля предельного равновесия.

      Максимальная  глубина оврага ограничивается уровнем  водоема куда он впадает. Этот уровень  называется базисом эрозии.

        
 
 
 
 
 

      Молодой растущий овраг имеет V –образную форму, а в древности, на стадии предельного равновесия превращается в балку с широкой долиной и корытообразным сечением.

      В нижней части оврага накапливаются  овражные отложения, принесенные водным потоком. Они имеют форму конуса и образуют таким образом конус выноса, а сами отложения называются пролювием.

        
 
 
 
 
 
 

      Оврагообразование связано с рядом  причин.

      1. Количество выпадающих осадков.  Казалось бы, что чем больше  осадков, тем должно быть больше оврагов, однако это не так. В районах с влажным климатом больше и растительности, затрудняющей рост оврагов.

      Поэтому наибольший рост оврагов в местностях с полупустынным климатом, где выпадают редкие, но сильные ливни, а растительности мало. Например в Волгоградской области скорость роста оврагов достигает 3-4 м/год – очень большая величина.

      2. Характер рельефа. Чем глубже  базис эрозии и выше склоны, тем разрушительней оврагообразование.

      3. Характер грунтов, в первую  очередь их размываемость. Наибольший  рост оврагов в лессовых породах, наименьший – в глинах и скальных породах.

      Пески размываются легко, но они хорошо фильтруют воду, поэтому поверхностный сток на них не развит.

      4. Активизация оврагообразования  под влиянием деятельности человека.

      Очень часто овраги возникают и растут из-за неупорядоченного сброса хозяйственных вод на склон или из-за аварий водопроводов и других сходных причин.

      Влияние оврагов на условия  строительства.

      1) Овраги затрудняют и удорожают  строительство, т.к. отнимают полезную площадь и затрудняют устройство коммуникаций.

      2) Они могут угрожать зданиям  и сооружениям, размывать дороги  и т.д. 

      Меры  борьбы с оврагами

      Меры  борьбы с оврагами должны заключаться  в устранении причин, вызывающих их возникновение и развитие. В начальной стадии она наиболее проста и сводится к уничтожению промоин, укреплению склонов растительностью.

      Когда оврагообразование уже достаточно развито, меры борьбы труднее – это  отвод поверхностных вод различными дренажными устройствами, укрепление вершины оврага бетонными лотками, планировка и укрепление склонов, устройство защитных лесополос, замыв и засыпка оврагов. 

      СЕЛЕВЫЕ ПОТОКИ

      Все сказанное о временных водных потоках относится к равнинным  местностям.

      В горах при тех же условиях формируются  сели – временные горные грязекаменные потоки, обладающие громадной разрушительной силой.

      Основные  условия развития селей:

      1) крутой склон горной долины

      2) наличие в верховьях долины  рыхлых отложений

      3) ливни или интенсивное таяние  снега.

      Движение  селей имеет скорость до 10-12 м/сек  и сопровождается громадной разрушительной силой.

      Один  из селей, произошедший в 1946 году вблизи Еревана, имел высоту волны до 4 м  и затопил часть города, а объем  вынесенного материала около 500000 м³.

      Очень часто сели образуются на р. Малой  Алмаатинке. Самый разрушительный в 1928 году. Он продолжался 7 часов, прошло около 80 валов высотой 4-5 м. Было разрушено 182 дома.

        
 
 
 
 

Меры  борьбы с селями

1. Сохранение  лесов, травяного и дернового  покрова.

2. Укрепление бортов и дна русел.

3. Устройство  лотков для пропуска селей у дорог.

4. Устройство  плотин.

 
 
 

5. Рациональное  размещение объектов строительства. 

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСЬ РЕК

      Многие  города расположены вдоль рек. Река – источник энергии. Они производят огромную геологическую работу. Их деятельность состоит в следующем:

      1. Эрозия.

      2. Пренос.

      3. Аккумуляция.

       Профиль равновесия реки: 
 
 
 
 

      В целом в реке преобладают:

      в верховьях – донная эрозия;

      в средней части – донная и боковая, которая наиболее опасна, т.к. вызывает обрушение берегов.

      в низовьях – аккумуляция.

      В результате этой деятельности образуются:

      Долина  реки – углубление, выработанное водным потоком в земной коре и имеющее  уклон от верховьев к низовьям.

      Русло – ложе речной долины, занятое водным потоком.

      Пойма – участок долины, заливаемый паводковыми водами.

       Речные террасы. Выделяют поперечные и продольные. Поперечные - пороги 
 
 
 

      Продольные  террасы вдоль речных склонов  иногда симметричны, иногда нет.

Террасы - это древние поймы, образующиеся при изменении базиса эрозии.

 
 
 
 
 

Террасы как основания сооружений.

      Речные  террасы делятся по строению на эрозионные или цокольные и аккумулятивные (накопление).

      Эрозионные  террасы состоят из коренных пород, аккумулятивные сложены речными отложениями.

        
 
 

      Перенос частиц осуществляется:

      1. Крупные – волоком по дну.

      2. Мелкие во взвешенном состоянии.

      3. В растворенном состоянии.

      Аллювиальные (речные) отложения — аллювий  аQ_IV. Они очень разнообразны по своему составу и подразделяются:

      - русловые отложения (пески различной  крупности)

      - пойменные отложения – скорость медленнее, более тонкие частицы (супеси, суглинки).

      - Старичные отложения (ил).

      Старица соединена с руслом только в паводок  и является полуозером.

        
 
 
 

      Озерный режим – самые тонкие частицы.

      Ил  – особая порода и представляет водонасыщенные рыхлые породы, богатые органикой и обладающие очень низкой несущей способностью. При строительстве требуют применения особых методов: уплотнение, сваи, закрепление.

      Русловые  образуют нижний горизонт аллювиальной толщи, а пойменные отложения – верхний.