§ 69. Инженерно-геологические явления

Инженерная деятельность человека, осуществляемая в оп­ределенных природных условиях, вносит существенные измене­ния в ход протекающих физико-геологических процессов и явле­ний, которые в дальнейшем будут тесно взаимодействовать с построенными сооружениями, оказывая на них различные воз­действия, чаще всего отрицательные. Явления и процессы, обус­ловленные совместным взаимодействием геологической среды с инженерными сооружениями, по предложению Г. Н. Каменско­го, называются инженерно-геологическими.

Инженерно-геологические процессы и явления могут быть самыми разнообразными, что обусловливается разносторонней инженерной деятельностью человека и чрезвычайным разнооб­разием природных условий, в которых она осуществляется. Наиболее существенное значение имеют следующие процессы: деформация грунтов в основании сооружений; просадки в лёссовых грунтах; деформация грунтов при вскрытии котлова­нов; переработка берегов водохранилищ; горное давление и

142

пучение при проходке тоннелей и горных выработок; сдвиже ние горных пород над подземными выработками.

Деформация грунтов в основании соору жений. Различные сооружения оказывают на горные породы, являющиеся основанием сооружений, дополнительные давления величиной от 0,1 до 0,5 МПа и в отдельных случаях (высот ные здания, опоры мостов, гравитационные плотины и др.) 0,5—2,5 МПа. Дополнительное давление от массы сооружений действует на грунты основания как постоянная статическая вертикальная нагрузка, под влиянием которой толща пород сжимается, что влечет за собой оседание поверхности земли и построенных на ней сооружений. Вертикальные перемещения сооружений, обусловленные сжатием грунтов основания, назы­ваются осадками; абсолютная величина осадок в зависимости от свойств грунтов бывает различной ■— от долей сантиметра до 1 м и более. Не всякая осадка опасна для сооружений. Равно­мерная осадка сооружений в пределах всего его периметра не опасна, если даже абсолютная величина осадки будет достигать десятков сантиметров. Опасны неравномерные осадки сооруже­ний, что обычно и наблюдается.

Сжимаемость пород разного состава и сложения бывает самой различной. Скальные породы в пределах нагрузок, прак­тически достигаемых, испытывают только упругие деформации и деформации, связанные с закрытием трещин, абсолютная ве­личина которых практического значения не имеет.

Сжимаемость гравия, галечника и им подобных грунтов, обусловленная структурными деформациями*, в пределах практически достигаемых нагрузок незначительна и не имеет существенного значения.

Сжимаемость песков в основном обусловливается структур-

ными деформациями; она может быть самой различной в зави-

симости от их состава, сложения, степени плотности, увлажне-

ния и характера нагрузки. При действии только статических

нагрузок даже рыхлые пески будут уплотняться в пределах, не

опасных для сооружений. Несколько повышенная сжимаемость

наблюдается в слабоуплотненных тонкозернистых и пылева-

тых разностях песчаных грунтов. При действии же динамиче-

ских нагрузок уплотнение всех разновидностей песков, особен-

но рыхлосложенных, может быть весьма значительным и тем

большим, чем выше интенсивность сотрясений. Особенно чув-

ствительны к динамическим сотрясениям рыхлые мелкозер-

нистые водонасыщенные пески. Сооружения, в основании кото-

рых залегают пески, перешедшие под влиянием динамических

нагрузок в разжиженное состояние, претерпевают значительные

деформации, вплоть до катастрофических.

*Структурные деформации обусловлены взаимным перемещением мине-ральных частиц, что влечет за собой доуплотнение грунтов.

Наибольшая сжимаемость присуща грунтам глинистого со­става. Особенно большие осадки (десятки сантиметров и не­редко более метра) испытывают высокие земляные плотины, имеющие большую площадь основания, а также портовые сооружения (молы, набережные, причальные стенки и др.), ко-торые часто приходится возводить на слабых водонасыщенных

илистых грунтах.

В действующих СНиПах излагается методика расчета оса­док сооружений и приводятся предельные величины средних осадок, прогибов, наклонов и кренов для различных сооруже­ний з зависимости от типа, конструкции и назначения сооруже­ний, применяемых строительных материалов и прочих условий. Для производства расчетов необходимы характеристики физи­ко-механических свойств грунтов основания (см. главу II).

Просадки в лёссовых грунтах. Под лёссами и лёссовидными грунтами понимаются породы, сформировавшие- , ся в условиях засушливого климата и обладающие одним об­ щим свойством — кедоуплотненной структурой, не отвечающей напряженному состоянию, в котором эти грунты находятся в условиях их естественного залегания. Недоуплотненность обус­ ловливает значительную пористость этих пород, достигающую иногда более 50%- Помимо обычной пористости лёссовидным грунтам и лёссам присуще также наличие крупных пор — мак- ропор — размером иногда свыше 1 мм, хорошо видимых не­ вооруженным глазом, преимущественно в виде вертикальных трубочек. Состоят лёссы и лёссовидные грунты в основном из фракций пыли и обычно имеют характерную палево-желтую или желто-бурую окраску. Распространены эти породы очень широко. В пределах СССР они залегают на большей части тер- ритории Украины, на юго-востоке европейской части, в За­ кавказье, Средней Азии, Сибири и на Дальнем Востоке; на относительно небольших площадях они встречаются также в Белоруссии, в центральных областях и других местах. Схема­ тическая карта распространения лёссовых грунтов на террито- рии СССР приведена в СНиПе «Строительная климатология и геофизика. Основные положения проектирования». Залегают лёссы и лёссовидные грунты на водоразделах в виде покрова, плащеобразно перекрывая более древние образования. Мощ- ность их достигает иногда многих десятков метров, а в боль; шинстве составляет 12—20 м. Ввиду значительной распростра ценности лёссы и лёссовидные грунты во многих случаях слу жат основанием самых различных сооружений или средой, в которой осуществляется строительство дорожных выемок, ка налов и других объектов. ',

В естественных условиях при малой влажности лёсс и лёс-совидные грунты обладают значительной механической проч ностью и устойчивостью в откосах, сохраняя почти вертикаль ное положение при высоте откоса иногда более 10 м. При

144

увлажнении их прочность существенно уменьшается и они до-уплотняются; это свойство называется просадочностью и сопро­вождается необратимым изменением их структуры.

Просадки лёссовых пород в основании сооружений обычно неравномерные, что обусловливает неравномерную осадку сооружений, величина которой колеблется от нескольких десят­ков сантиметров до 2 м и более. Неравномерность осадок сооружений влечет за собой образование в зданиях трещин и других деформаций, а нередко и разрушение сооружений. Сле­довательно, чтобы предохранить сооружения, возводимые на просадочных грунтах, от различных деформаций, необходимо заранее знать степень их просадочности, в соответствии с чем и осуществляются различные защитные мероприятия, обеспечи­вающие устойчивость сооружений на весь срок их эксплуата­ции.

При определении степени просадочности лёссовых грунтов необходимо учитывать их генезис и стратиграфию. Из много­численных генетических типов лёссовых грунтов (эоловых, ал-лювиальпых и пролювиальных) наибольшая просадочность присуща эоловым и пролювпальным разностям. Стратиграфиче­ски лёссовые грунты в большинстве случаев состоят из несколь­ких горизонтов разного возраста, просадочность которых раз-лична. Во многих случаях просадочные свойства присущи толь­ко верхним горизонтам. Для большей части территории СССР

просадочная зона в лёссовых грунтах не превышает 5—8 м и только в районах нижнего течения р. Днепра, в Восточном Предкавказьс и в некоторых районах Средней Азии мощность просадочных толщ достигает 16 м, редко больше. В практике же имеются случаи, когда значения относительной просадоч-ности, определенные для верхних горизонтов, распространяют-ся на всю толщу лёссовых пород, которая нередко составляет 26—30 м и более (до 100 м). Совершенно очевидно, что при этом допускаются грубые ошибки при определении общей ве-личины просадки изучаемой толщи, что приводит к значитель-ому перерасходу средств на осуществление защитных меро-риятий.

Степень просадочности определяется по СНиПу II 15—74,в соответствии с которым грунтовые условия строительных пло-

щадок в зависимости от возможности проявления просадки от

собственной массы пород при замачивании подразделяются на

два типа:

I тип — просадка грунта практически отсутствует или она не превышает 5 см;

II тип — просадка возможна и величина ее превышает 5 см. Установленный тип грунтовых условий по просадочности

используется для назначения мероприятий, осуществление кото рых обеспечивает устойчивость и эксплуатационную пригод ность сооружений. Разделение лёссовых грунтов на просадоч-

ные и непросадочные проводится путем послойного определе­ния показателя относительной просадочности исследуемой тол-щи лёссовых грунтов. В соответствии с указанным СНиПом количественно степень просадочности лёссовых грунтов опреде­ляется в лабораторных условиях и непосредственно в поле. Методика этих определений изложена в соответствующей ли­тературе.

В целях недопущения различных деформаций в зданиях и. сооружениях, основанием которых служат просадочные грун­ты, в зависимости от степени пх просадочности осуществляют­ся различные защитные мероприятия. Они подразделяются на три группы: 1) мероприятия по защите естественного основания от замачивания атмосферными осадками, производственными. и бытовыми водами; 2) конструктивные мероприятия, придаю­щие сооружениям нужную жесткость п устойчивость; 3) меро­приятия по искусственному закреплению, в результате чего их просадочные свойства устраняются. Мероприятия 1-й и 2-й групп подробно перечислены в СНиПе, а 3-й группы — в § 16 данной книги.

Деформация откосов карьеров и выпирание дна котлованов. При вскрытии котлованов, глубоких до­рожных выемок, траншей, каналов, строительстве карьеров для разработки полезных ископаемых возможны самые разно­образные инженерно-геологические процессы и явления,, кото­рые необходимо заранее предвидеть и своевременно провести нужные профилактические мероприятия, устраняющие отрица­тельное воздействие этих процессов и явлений на условия строительства сооружений и их эксплуатацию в дальнейшем. Чаще всего в котлованах, траншеях, карьерах и других подоб­ных выработках проявляются следующие инженерно-геологиче­ские процессы и явления: нарушение устойчивости откосов; набухание, пучение и выпирание грунтов на дне выработок; про­рыв плывунов.

Нарушения устойчивости откосов чаще всего проявляются в следующих формах: оползании, обвалах, выдавливании, раз­мыве откоса. Подробно оползни и обвалы рассмотрены в § 63.

Если в откосе будет наблюдаться выход подземных вод, то деформации откоса могут быть обусловлены проявлением про­цессов суффозии и гидродинамического давления, а также тем, что вода утяжеляет породы в откосе, уменьшает в них силы трения и сцепления, действует как смазка в контактных по­верхностях пород. В этом случае осушение пород является ос­новным мероприятием, устраняющим деформации откосов.

Выдавливание откоса или его части обусловливается, проявлением свойств ползучести глинистых пород, слагающих откос, под давлением вышележащих горных пород. В результа­те выдавливания откосы оседают и смещаются. Подобные де­формации обычно наблюдаются в длительно существующих

146

выемках и карьерах, когда под влиянием значительного перепа­да давления (на откосах давление равно нулю, а на некото­ром удалении в глубь откоса оно соответствует глубине, умно­женной на объемную массу вышележащих пород) в глинистых породах проявляются процессы расслабления напряжений (релаксация), что и приводит по истечении какого-то времени к их выдавливанию. Для предотвращения подобной деформации откосы постоянно существующих выемок и карьеров необходи­мо уполаживать до нужной крутизны, что снижает перепад дав­ления до безопасной величины, или же в основании откоса, сложенного глинистыми породами, устраивают искусственно подсыпку, что также снижает перепад давления.

Размыв откосов может быть обусловлен неорганизо­ванным отводом ливневых и талых вод, в результате чего на откосах образуются промоины различной ширины и глубины, как правило, с крутыми стенками, что и влечет за собой де­формацию откосов. Мерой борьбы с размывом откосов являет­ся отвод осадков нагорными канавами.

Пучение, выпирание дна котлована и про­рыв подземных вод в котлован возможны, когда в котлованах вскрываются глинистые водоупорные породы, пе­рекрывающие нижележащий водоносный горизонт с напорной водой. В зависимости от величины гидростатического давления, испытываемого глинистыми породами на дне котлована, воз­можно горбообразное вздутие дна траншеи, выемки или кот­лована — пучение (не надо смешивать этот вид пучения с мо­розным, разобранным выше) или даже выпор дна с прорывом подземных вод в котлован. Следовательно, основной причиной подобных процессов является наличие соответствующих гидро­геологических условий.

Переработка берегов водохранилищ. В СССР осуществляется широкое строительство плотин и создание во­дохранилищ, вода которых используется на самые различные нужды (для выработки электроэнергии, орошения, регулиро­вания судоходства и т. п.). На водохранилищах, особенно крупных, под влиянием волн наблюдаются процессы перера­ботки берегов и образование склонов нового профиля, что вы­зывает разрушение самых различных сооружений, располагаю­щихся в зоне переработки. Величина зоны переработки зависит от различных факторов: высоты и скорости передвижения волн; высоты крутизны и формы береговых склонов; состава и усло­вий залегания пород на склонах; гидрогеологических особенно­стей склона.

Существует ряд способов определения конечной величины зоны переработки и расчета скорости переработки во време­ни [24].

10*

Для предотвращения переработки берегов, где расположе­ны крупные населенные пункты, промышленные предприятия

и другие важные объекты, применяют те же мероприятия, что и при защите от действия морской абразии и речной эрозии, i Горное давление. Под

горным давлением понимаются напряжения в горных породах возникающие в них при про ходке выработок. В естествен ных условиях горные породы' находятся в состоянии напря женного равновесия. Поел проходки выработки равнове сие нарушается, вокруг прой денной выработки в порода" возникают напряжения сжатия растяжения и сдвига, которьг часто превосходят преде прочности пород, следствие

Рис. 42. Схема горного давления по гипотезе М. М. Протодьяконова

чего является их деформация. Для предотвращения ее в вы- работках устанавливают креп*' ление. Породы, стремящиеся к обрушению, будут оказывать на крепь механическое воздейст- вие, которое и называется горным давлением. ^;

Основной причиной, вызывающей горное давление, явлж ся сила тяжести — масса горных пород. Но конкретные формы проявления горного давления в тоннелях и других подземных выработках зависят от сочетания многих факторов в их взаимо-действии: физико-механических свойств пород, их тектониче-ской нарушенности, характера слоистости и других свойств; глубины выработок, их размеров, формы и взаимного располо-женкя; ориентировки выработок по отношению к элементам за-легания горных пород; скорости проходки выработок и скорости постановки крепления; способа крепления кровли и механиче-ских свойств материалов, применяемых для крепления выра-боток.

Из многочисленных гипотез, объясняющих проявление гор-ного давления, широко распространена гипотеза свода обруше-ния, наиболее обоснованно изложенная М. М. Протодьяконо-вым в 1907 г. и используемая в настоящее время (рис. 42), Согласно этой гипотезе величина горного давления Р опреде ляетсл массой горных пород в объеме свода обрушения, обра-зующегося в кровле выработки и имеющего сверху вид парабо-лы. Соответственно величине горного давления и проводится расчет крепления горной выработки, который является ориен-тировочным; окончательно тип крепления и материал выби-раются после натурного определения величины горного давле-ния (с помощью различных приборов) непосредственно в вы-работках.

148

Пучение в горных выработках. Пучением назы­вают деформации горных пород, залегающих в почве вырабо­ток, в виде пластического выдавливания их в выработки. Пуче­ние является разновидностью горного давления. На глубине нескольких сотен метров оно возникает преимущественно в глинистых породах определенного минерального состава. Наи­более интенсивно пучение проявляется в глинистых породах монтмориллонитового состава, обогащенных гумусом и при на­личии в диффузном слое катионов щелочной группы. Но при соответствующих условиях пучение присуще всем горным по­родам.

Пучение в горных выработках проявляется не сразу после их проходки, а с течением времени; с учетом этого его отрица­тельное воздействие может быть устранено или значительно снижено быстрыми темпами проходки выработок и немедлен­ным их креплением. Все пустоты'между облицовкой и породой должны тщательно тампонироваться сразу же после установле­ния крепи. При надлежащем типе крепи эти мероприятия предотвращают развитие в глинистых породах процессов пол­зучести, что и предохраняет горные выработки от деформа­ций.

Прорыв в выработки подземных вод и газов. Подобные прорывы возможны при наличии тектонических тре­щим, зон разлома и карстовых пустот. Прорывы обычно про­являются только у забоя подземных выработок. Для их предот­вращения при подходе подземных выработок к участку, где возможен прорыв, из забоя проходят опережающие скважины в горизонтальном или наклонном положении, нередко веерооб-разно. Число скважин, их глубина, конструкция и т. п. опреде-ляются гидрогеологическими расчетами, методика которых описывается в специальных руководствах. Проходка опережаю­щих скважин осуществляется с принятием необходимых мер предосторожности.

При наличии на трассе подземной выработки на какой-либо, глубине ниже подошвы выработки водоносного горизонта с напорной водой и при недостаточной мощности водоупорного пласта возможны прорывы подземных вод со стороны почвы. Подобные прорывы проявляются чаще всего не сразу после проходки выработки, а по истечении какого-то отрезка време­ни, что зависит от свойств глинистого водоупора. Возможность подобных прорывов определяется по формулам, приведенным в специальной литературе. Для предотвращения подобных про­рывов в почве выработок сразу же после их проходки закла­дывают трубчатые водопонижающие колодцы, принимая нуж­ные меры безопасности.

Сдвижение горных пород. Под сдвижением горных пород понимают деформации в породах, залегающих над выра-