8.4. Геологические процессы, обусловленные действием силы тяжести

Данные процессы называются еще гравитационными, или склоновыми, поскольку они наблюдаются на склонах и откосах грунтовых сооружений – котлованов, выемок и насыпей, карьеров. К основным из них относятся обвалы, вывалы, лавины, осыпи и оползни; по скорости протекания первые три процесса относятся к быстрым, а последних два – к медленным.

8.1.1. Обвалы

Обрушения больших масс пород называют обвалами, а отдельных глыб – вывалами. Происходят они на крутых или даже нависающих склонах (откосах) и связаны с условиями залегания и степенью выветривания пород, их трещиноватостью, подмывом или подрезкой склона, обводнением пород, землетрясениями, проведением на склоне работ, особенно с созданием динамических воздействий и др. Масштабы обвалов различны – от грандиозных, существенно изменяющих природные условия на значительной территории (рельеф, геологическое строение, гидрографию) с объемом порядка 10⁹ м³ до мелких с объемом первые единицы и десятки кубометров.

В горных районах указанные процессы часто представляют собой угрозу для строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог. При строительстве Кругобайкальской ж.д. (1900 – 1905г.г.) было построено 39 тоннелей, 50 противообвальных галерей, 14 км подпорных стен. За пять лет (1955 – 59 годы) на Закавказской ж.д. произошло 428 случаев горных обвалов. В общем на эксплуатируемых дорогах преобладают мелкие обвалы с объемом пород до 200 м³.

Очевидно, что обвал – внезапный и быстрый процесс, связанный с нарушением равновесия пород на склоне; но это результат длительного действия различных факторов, прежде всего выветривания и особенно при наличии активной тектоники с восходящими движениями. Спусковым механизмом обвала может быть землетрясение, какие-либо работы на склоне, особенно с динамическими воздействиями, сильные порывы ветра и другие, в том числе случайные факторы.

Борьба с обвалами и вывалами включает как профилактические мероприятия, так и активные с устройством защитных сооружений. К первым относятся наблюдения за склонами, их террасирование, лесомелиорация, обрушение отдельных опасных глыб. К противообвальным сооружениям относятся подпорные стенки, контрфорсы, облицовки и пояса с грунтовыми анкерами, противообвальные галереи, тоннели.

Лавины – обрушения масс снега с горных склонов, откосов выемок, висячих логов, происходящие обычно зимой и весной. По существу это обвалы снега, в которые вовлекаются глыбы и обломки горных пород. При большой скорости (до 200 км/час) и массе лавина обладает огромной разрушительной силой, усиливаемой действием идущей впереди ее воздушной волны. В местах отложения снега могут образоваться завалы до 50 метров толщиной. По влажности смещающегося снега лавины могут быть сухими или пылевыми, влажными и мокрыми; по характеру движения выделяют плоские лавины, или осовы со смещением по всей поверхности склона, лотковые с движением по ложбинам и ущельям и прыгающие с падением на отдельных участках. Лавиноопасными являются склоны с углом наклона 25 - 50⁰, причем более опасны выпуклые склоны.

Меры защиты от лавин в общем аналогичны противообвальным. К профилактическим здесь относятся мероприятия по недопущению или уменьшению снегонакопления на опасных склонах путем лесопосадок, расстановкой щитов, задерживающих снег в безопасных местах, террасирование склонов, обстрел из пушек с целью вызвать сход еще небольших, безопасных лавин.

Для защиты сооружений в местах схода лотковых лавин устраиваются отбойные дамбы – массивные каменные или бетонные стены, отводящие лавину; лавинорезы – треугольные дамбы, обращенные углом навстречу лавине. При ударе о лавинорез лавина делится на два потока с большой потерей энергии. Можно отметить, что по принципу лавинореза в горах Кавказа ориентировались старинные башни – углом навстречу лавине. Наиболее надежно защищают дорогу навесы и галереи, аналогичные противообвальным.

8.2.1. Осыпи

У основания склона часто наблюдается скопление обломков пород, слагающих склон. Иногда они образуют сплошной шлейф вдоль склона, полностью скрывая его основание. Этот процесс развивается на крутых склонах с выходами легко выветривающихся пород – эффузивов, вулканических туфов, полускальных осадочных пород.

По степени подвижности осыпи подразделяются на действующие, затухающие и затухшие. Действующие постоянно пополняются осыпающимся материалом и таким образом растут. Их поверхность свободна от растительности; на поверхности затухающей осыпи появляется травянистый покров, а затухшей – также кустарник и деревья.

Движения осыпи вызывается многими причинами как природными, так и техногенными: наклон подстилающей поверхности основания склона, увеличение веса при пополнении материалом, переувлажнение, подмыв, сейсмические толчки, подрезка низа осыпи, сотрясения и вибрации при работах и др. Осыпи затрудняют строительство и эксплуатацию дорог и влияют на выбор положения трассы: подвижных осыпей следует избегать. При необходимости применяют различные защитные меры:

- стабилизация осыпи уборкой части материала вверху и подсыпкой снизу в виде контрбанкета;

- устройство подпорных стен с заглублением в коренные породы;

- осушение при возможности осовов.

От осыпей отличают каменные россыпи, или курумы. Это скопления глыб, образующие сплошные покровы на пологих склонах и даже на водоразделах в условиях сурового климата (Северный Урал, Восточная Сибирь, Алтай).

8.3.1 Оползни

Это смещения масс горных пород вниз по склону под действием силы тяжести, и в большинстве случаев при непосредственном участии подземных и поверхностных вод. Оползни распространены в горных районах, на берегах морей и озер, на склонах речных долин. В сейсмических районах оползни, как и обвалы, часто инициируются землетрясениями.

Проявления оползневых процессов очень разнообразны и зависят от высоты и крутизны склона (откоса), условий залегания слагающих склон пород и характера последних. Кроме собственно оползней, выделяют еще сплывы и оплывины, осовы, оползни – обвалы.

Для склона, сложенного близкими по свойствам рыхлыми, чаще глинистыми породами, типичное строение оползня показано на схеме (рис.12.1). Соответственно выделяются бровка срыва и главный уступ (иногда только трещина отрыва); оползневое тело, оползневые террасы, поверхность скольжения (иногда выраженная нечетко в виде зоны измененной породы), подошва и язык оползня.

Рис. 12.1. Оползень склона сложенного рыхлыми породами:

1 – первоначальная поверхность склона; 2 – бровка срыва;

3 – надоползневой уступ; 4 – оползневые террасы; 5 – тело оползня;

6 – поверхность скольжения; 7 – язык оползня

Внешними признаками оползневого процесса на склоне являются:

- наличие трещин: от главной трещины отрыва до трещин вдоль бортов оползневого тела;

- различные водопроявления (родники, полосы высачивания, заболачивание на оползневых террасах);

- изогнутые и наклоненные стволы деревьев («пьяный лес»);

- повреждения зданий и сооружений, смещения полотна дороги и др.

Причины оползней разнообразны, их можно объединить в четыре группы.

1. Изменения геометрии (высоты и формы) склона, природные (колебания базиса эрозии, разрушающая работа волн, текучей воды) и техногенные - например, подрезка склона различными выемками.

2. Изменение состояния и физико-механических свойств слагающих склон пород из-за выветривания, увлажнения подземными, дождевыми, талыми, хозяйственными водами, выщелачивания водорастворимых солей примесей (сульфаты, карбонаты, железистые соединения), окисления пирита и органики, набухания (особенно монтмориллонитовых глин при техногенном замачивании).

3. Действие подземных и поверхностных вод, вызывающее увеличение гидростатических и гидродинамических сил на породы, суффозионные явления.

4. Внешние статические и динамические нагрузки: пригрузка склона сооружениями и материалами, сейсмические воздействия, динамические воздействия транспорта, взрывные работы и др.

Обычно имеет место совместное действие нескольких причин.

Рис. 12.2. Примеры противооползневых мероприятий:

1 – прогнозируемая поверхность скольжения; 2 – срезка;

3 – контрбанкет; 4 – подпорная стена; 5 – дренаж; 6 – буровые сваи

После установления причин оползневого процесса разрабатываются противооползневые мероприятия, которые также (см. ранее для обвалов), можно разделить на профилактические и активные. К первым, например, относятся запрещение подрезки склона, строительства на нем, недопущение уничтожения растительности и распашки склона, регулирование поверхностного стока, ограничение скорости движения. К активным мероприятиям относятся устройство канав и лотков для отвода поверхностных вод и дренажных сооружений для сбора и отвода подземных вод; осушение и закрепление пород склона; разгрузка склона в верхней части и устройство контрбанкета в нижней; устройство подпорных стен; скрепление пород склона буровыми сваями и грунтовыми анкерами («прикол»). Некоторые из перечисленных мер иллюстрируются рисунком (рис.12.2).Успешным может быть только комплекс мероприятий, разработанный на основе детального выяснения причин оползневого процесса. В особенности важно установить причины и условия обводнения склона подземными и поверхностными водами.

8.4. Горное давление и сдвижение горных пород

В рассмотренных склоновых процессах действие силы тяжести как основной причины вполне очевидно. Она также проявляется в провалах горных пород в полости и пустоты, образующиеся при карсте, суффозии, прорывах плывунов. Но имеются обширные области хозяйственно-строительной деятельности человека, когда в массивах горных пород целенаправленно создаются полости и пустоты значительных размеров. Это добыча полезных ископаемых в шахтах и рудниках со всем их подземным хозяйством; применительно к строительству это тоннели различного назначения (транспортного, гидротехнического и др.), подземные хранилища и другие сооружения. В частности, современное развитие городов связывается во многом с освоением подземного пространства. Условия для проявления действия силы тяжести возникают при создании в толще горных пород свободного пространства – проходке выработки. Что при этом происходит?

Пусть на глубине z от поверхности пройдена выработка АБВГ (рис.12.3); общепринятые в горном деле названия ее элементов: АГ – почва; БВ – кровля; АБ и ГВ – стенки. До проходки имеет место естественное напряженное состояние: на кровлю действует напряжение σ_z = γz, а на стенки σ_x = ξγz, где ξ – коэффициент бокового давления, меняющийся от 0 до 1 при отсутствии тектонических напряжений; при наличии их возможны значения ξ > 1. После проходки выработки нормальные напряжения в точках контура станут равны нулю, отчего они (точки контура) получат некоторое смещение внутрь выработки. Вследствие этого в прилегающей к выработке зоне произойдет разуплотнение горных пород. Далее, напротив, напряжения возрастают (это зона опорного давления) и только затем напряжения снижаются до природных, имевших место до проходки выработки.

Влияние описанного изменения НДС массива на выработку называют горным давлением. Рассмотрим его проявления для двух крайних случаев.

1. Массив горных пород однородный и сложен прочными слаботрещиноватыми породами. Смещения точек контура выработки, как и во всей зоне разуплотнения, происходят в виде упругих деформаций разгрузки и соответственно практически мгновенно (со скоростью звука); по величине они незначительны (первые мм). Проходка может вестись без крепления и в таком незакрепленном виде выработка может оставаться надолго.

Рис. 12.3. Изменение НДС массива горных пород при проходке выработки: 1 – зона разуплотнения и падения напряжений;

2 – зона повышенных напряжений

2. Массив г.п. сложен рыхлыми песчано-глинистыми породами. Смещения пород при проходке будут значительные и сопровождаться вывалами и обрушениями пород в кровле и стенах, а часто еще выпучиванием почвы.

В первом (благоприятном) случае говорят, что горное давление мало; во втором, наоборот, велико и условия неблагоприятные. Проходка выработки должна сопровождаться немедленным ее креплением. При несвоевременном креплении или недостаточной его жесткости процесс смещений в массиве, называемый сдвижением горных пород, будет распространяться вверх на всю мощность толщи пород над выработкой. В результате на поверхности образуется понижение – мульда сдвижения. Здания, оказавшиеся в ее пределах, испытывают неравномерные деформации и могут быть повреждены вплоть до разрушения. Проблема сдвижения г.п. особенно актуальна для территорий с большим количеством подземных выработок – шахт, рудников: Донбасс, Кузбасс, КМА, Подмосковный угольный бассейн и др. Такие территории называются «подрабатываемыми» и условия строительства на них сильно усложняются. В таком положении находятся участки городской территории над тоннелями метро и известны случаи деформации зданий на этих участках.

Таким образом, при подземных работах возникают два важных явления, или процесса – горное давление и сдвижение горных пород. Оба процесса относятся к инженерно-геологическим, так как развитие их и проявления зависят как от свойств массива г.п. (от всех факторов, которые в совокупности мы ранее характеризовали как инженерно-геологические условия), так и от технологии проходки выработки и применяемого крепления. Прогноз указанных процессов – важная задача ИГИз для подземного строительства.