Тема 1.8. Основы инженерной геологии

Основные типы физико-геологических явлений. Основные типы инженерно-геологических явлений.

Инженерная геология — отрасль наук о Земле, изучающая поверхностную часть земной коры в связи со строительством различных сооружений. Хозяйственная деятельность человека вызывает существенные изменения природных геоло­гических условий, а измененная природная обстановка в соче­тании с естественной, в свою очередь, влияет на проведение горных работ, условия строительства и эксплуатацию дорог, гидротехнических сооружений и других промышленных объек­тов. Поэтому одной из важнейших задач инженерной геологии является прогнозирование последствий, вызываемых проводи­мыми хозяйственными работами, и определение конкретных ме­роприятий, обеспечивающих устойчивость и нормальную экс­плуатацию горных предприятий и других сооружений, возводи­мых в данных геологических условиях.

Основные типы физико-геологических явлений

Для успешного решения задач инженерной геологии необходимы всестороннее изучение и оценка геологических факторов, влияющих на инженерную деятельность человека, определение характера процессов, оказывающих влияние на проходку горных выработок и строительство сооружений и могущих нарушить сохранность и нормальную эксплуатацию горнодобывающих предприятий. Среди подобных процессов различают физико-геологические и инженерно-геологические процессы. Под физико-геологическими процессами пожимаются природные процессы, которые изменяют рельеф земной поверхности, вещественный состав горных пород и их/ физико-механические свойства. Сюда относятся явления, связанные с деятельностью поверхностных и подземных вод: морская и озерная абразия, речная эрозия, оврагообразование, сели, осыпи, обвалы, оползни, суффозионные процессы, плывуны. Эти явления, как по­казано выше, изучаются и в общей геологии, однако только с качественной стороны. В инженерной геологии они изучаются с помощью специальных методов, прежде всего с количественной стороны, позволяющей оценить их значимость для каждого конкретного случая.

Явления, связанные с деятельностью поверхностных вод

Деятельность поверхностных вод подразделяется на морскую и озерную абразию, речную эрозию, сели и эрозию почвы.

Морская и озерная абразия. Основными факторами, воздействующими на берега морей и озер, являются ди­намические воздействия волн, морские течения, растворяющее действие воды, плавающие льдины и др.

Интенсивность разрушения берега морскими волнами зави­сит от конфигурации и крутизны берегов, их геологического строения, характера волн и скорости движения, наличия или отсутствия пляжа и т. п.

В настоящее время разработаны достаточно эффективные меры, полностью или частично предотвращающие морскую и озерную абразию. В основном эти мероприятия сводятся к за­щите берегов от действия морских волн — строительству дамб, волноломов, возведению искусственных пляжей и т. п.

Речная эрозия. Эрозионная деятельность рек наиболее интенсивно проявляется в период паводков и приводит к подмыву и обрушению берегов. Наиболее легко и интенсивно под­мываются и разрушаются высокие берега, сложенные рыхлыми породами. Для защиты отдельных участков долины рек от подмыва и оползания проводят различные инженерные мероприятия.

Оврагообразование характеризуется размывом и пере­носом продуктов размыва временными водотоками, в результате чего на поверхности земли образуются углубления раз­личной формы. Основные факторы обусловливающие овраго­образование,— это крутизна и форма склонов, состав пород, слагающих склон, климатические условия, хозяйственная де­ятельность человека (распашка склонов, устройство канав, уничтожение растительности на склонах и вблизи них и т. п.).

К мерам борьбы с оврагообразованием относятся различные мероприятия агротехнического, лесомелиоративного и гидротехнического характера.

Сели — бурные временные грязекаменные, грязещебенистые или грязевые потоки, возникающие в горных районах во время ливня или при интенсивном таянии снега.

Грязекаменный поток, несущийся с большой скоростью, по пути своего движения производит большие разрушения: сносит мосты, здания, портит и заваливает дороги, забивает отверстия искусственных сооружений, приводит в негодность пашни, сады. х В зависимости от природных особенностей мест, где проявляется сели, профилактические мероприятия бывают самыми разнообразными. Главнейшие из них: устройство защитно-регуляционных сооружений на пути движения селя — дамб, по­лузапруд, селеуловителей и т. п., а также лесонасаждение и травосеяние на площади селеобразующего бассейна.

Под совокупным воздействием различных факторов на естественных склонах и искусственных откосах проявляются различные деформации, на которых наиболее распространены осыпи, обвалы, оползни.

Осыпи представляют собой скопления обломков горных пород у основания и в нижней части крутых склонов. Образу­ющийся при выветривании горных пород материал под воз­действием силы тяжести постепенно скатывается, смещается вниз по склону. Возникающая при этом осыпь состоит из уг­ловатых несортированных обломком разного размера: от песчинок до глыб объемом в несколько кубических метров.

Обвалы происходят при отрыве и падении с естественных склонов или с откосов горных выработок как отдельных небольших камней, так и больших масс каменного материала; при движении камней происходит их опрокидывание, дробле­ние и скатывание вниз по склону.

Борьба с осыпями и обвалами ведется путем укрепления склонов, создания заградительных стен, тоннелей и т. д.

Причина образования обвалов — ослабление прочности и целостности горных пород на склонах под влиянием процессов выветривания, а также землетрясений или взрывных работ.

Оползни представляют собой движение масс горных по­род вниз по уклону местности под действием силы тяжести, связанное во многих случаях с деятельностью поверхностных и подземных вод. В зависимости от причин и факторов, обус ловливающих возникновение и развитие оползней, проводятся соответствующие противооползневые мероприятия, придающие склонам или откосам горных выработок нужную устойчивость и тем самым предохраняющие сооружения от разрушения.

В районах с многолетней мерзлотой замерзание и оттаивание горных пород влекут за собой ряд физико-геологических явлений, которые могут влиять на различные сооружения. К ним относятся: морозобойное растрескивание, пучение по­род, наледи и т. д.

Эти явления широко наблюдаются в северных и восточных районах нашей страны и должны учитываться при проходке горных выработок и строительстве инженерных сооружений.

Явления, связанные с деятельностью подземных вод

Из этих явлений особенно большое значение в горной промышленности имеют карст и суффозия, так как при проведении горных выработок в закарстованных породах притоки воды иногда возрастают до значительных размеров, а суффозия ве­дет к образованию оползней и плывунов.

При проходке горных выработок в закарстованных районах применяют замораживание, цементацию, битумизацию, глинизацию пород, а также разнообразные способы борьбы с притоками воды в горные выработки.

Суффозионные процессы заключаются в выносе фильтрующейся водой мелких частиц из песчаных образований; при этом последние разрыхляются, что нередко ведет к развитию оползней. Суффозия проявляется при определенном грануляр­ном составе и структуре пород в условиях повышенного гидродинамического давления на склоне.

Под плывунами понимают водонасыщенные породы, которые при вскрытии их в котлованах, горных выработках, выемках и т. п. ведут себя подобно тяжелым, вязким жидкостям, приходя в движение и оплывая. В таком состоянии могут на­ходиться породы самого различного гранулярного состава, спо­собные во время вскрытия при наличии соответствующего гидравлического давления или при встряхивании и других внеш­них механических воздействиях перемещаться.

Основные способы борьбы с плывунами — это устройство перемычек, ограждающих горную выработку, замораживание плывунов, что придает им временную прочность, электродренаж и электроуплотнение плывунных пород; химические способы закрепления плывунов — силикатизация, смолизация и др.

Основные типы инженерно-геологических явлений

Явления и процессы, обусловленные взаимодействием геологической среды с инженерными сооружениями, называются инженерно-геологическими.

Наиболее существенное значение из них в горной промышленности имеют горное давление и пучение пород при проходке тоннелей и горных выработок, смыкание горных пород над подземными выработками, деформация откосов карьеров и выпирание дна котлованов.

Нарушение устойчивости откосов чаще всего проявляется в следующих формах: оползание, выдавливание, размыв откоса. Оползание и выдавливание откоса горных выработок обусловливается ползучестью глинистых пород, сла­гающих откос, под давлением вышележащих горных масс. В результате оползания и выдавливания откосы оседают и смещаются. Выдавливание обычно наблюдается в длительно существующих выемках и карьерах, когда под влиянием значительного перепада давления в глинистых породах происходит уменьшение упругости, что и приводит по истечении некоторого времени к их выдавливанию. Для предотвращения подобных деформаций откосы постоянно существующих выемок и карьеров необходимо выполаживать до нужной крутизны, чтобы снизить перепад давления до безопасной величины, или же в основании откоса, сложенного глинистыми породами, делают искусственную насыпь, что также сглаживает перепад давления.

Размыв откосов может быть обусловлен неправильным 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. Для борьбы с размывом откосов осадки отводят нагорными канавами.

В естественных условиях горные породы находятся в состоянии сопряженного равновесия. После проходки выработки это равновесие нарушается, что может привести к обрушению. Последнее можно предотвратить, установив в выработках крепление. Породы, склонные к обрушению, будут оказывать на крепь механическое воздействие, которое называется горным давлением. К разновидности горного давления относится пучение. В подземных горных выработках оно возникает преимущественно в глинистых породах определенного минерального состава при их смачивании. Наиболее интенсивно пучение проявляется в глинистых породах монтмориллонитового состава, хотя 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 за счет скоростной проходки выработок и с немедлен­ным их креплением. Все пустоты между облицовкой и поро­дой должны тщательно тампонироваться сразу же после установления крепи. Эти мероприятия при надлежащем типе крепи предотвращают развитие в глинистых породах процессов ползучести, что и предохраняет горные выработки от деформаций.

При наличии тектонических трещин, зон разлома и карстовых пустот в горные выработки могут прорваться подземные воды и газы.

Прорывы обычно проявляются только у забоя подземных выработок. Для их предотвращения при проходке подземных выработок к участку, где возможен прорыв, из забоя проходят горизонтальные или наклонные опережающие скважины.

Сдвижением горных пород называется деформация в породах, залегающих над выработанным пространством. В зависимости от установленной степени опасности применяют различные мероприятия, предохраняющие сооружения от недопустимых деформаций. Главнейшими из мероприятий считают: оставление предохранительных (охранных) целиков; полную или частичную закладку выработанного пространства, применение дополнительных устройств, увеличивающих прочность и жесткость сооружений.

Список литературы

1. Короновский Н.В., Ясаманов Н.А. Геология: учебник для эколог. спец. вузов. – М.: ИЦ «Академия», 2005. Савельева Л.Е., Козаренко А.Е. Геология. – М.: Владос, 2004.

2. Добровольский В.В. Геология. – М.: Владос, 2001. Габдуллин P.P.. Ильин И.В., Иванов А.В. Эволюция Земли и жизни. – М.: МГУ, 2005.

3. Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004.

4. Каденская М.И, Руководство к практическим занятиям по минералогии и петрографии. – М. «Просвещение», 1976.

5. Короновский Н.В. Общая геология. – М.: МГУ. 2002.

6. Милютин А.Г. Геология. – М. «Высшая школа», 2008

7. Монин А.С. Популярная история Земли. – М.: Наука. 1980.

8. Свиточ А.А., Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Палеогеография. – М.: ACADEMA, 2004.

9. Сорохтин О.Г., Ушаков С.А. Глобальная эволюция Земли. – МГУ, 1991.

10. Якушова А.Ф., Хаин В.Е., Славин В.И. Общая геология. – М.: МГУ, 1988