Карстовые и суффозионные процессы

Карстовый процесс представляет собой длительно развивающийся процесс растворения или выщелачивания осадочных горных пород подземными и поверхностными водами (коррозионный процесс). Причины возникновения карста: наличие трещиноватости в растворимых горных породах, движение воды и ее минерализация (наиболее сильно растворяет породы слабоминерализованная вода и содержащая свободную углекислоту), количество осадков, климат.

По химическому составу пород различают карст: карбонатный (известняки, реже доломиты), сульфатный (гипс и ангидрит), соляной (галит и сильвин). Наиболее быстро растворяются соли, медленнее сульфаты, трудно растворяются карбонатные породы. Различают наземный и подземный карст.

Наземный карст проявляется в многообразии форм:

– карры – мелкие борозды и гребни на обнаженных поверхностях карстующихся пород;

– воронки – углубления различных форм и размеров (поверхностные и провальные);

– блюдца и западины – мелкие карстовые воронки с пологими бортами;

– поноры – узкие глубокие отверстия, наклонные или вертикальные, поглощающие поверхностную воду и отводящие её вглубь карстового массива, в результате чего образуются слепые долины. В отличие от них, полуслепые долины сохранили хорошо различимый отрезок долины ниже понора, называемый суходолом;

– колодцы и шахты – вертикальные или наклонные карстовые формы образующиеся при дальнейшем развитии поноров, уходящие на глубину в десятки и сотни метров;

– башенный карст – одна из последних стадий развития поверхностного карста, при которой подавляющая часть горных пород растворена и вымыта, а самые прочные блоки сохраняются в виде огромных отдельных останцов. Башенный карст характерен для жаркого влажного климата Юго-Восточной Азии.

Подземной формой карста являются пещеры – естественные подземные полости (залы и гроты). Ходы между ними, заполненные водой – сифоны. В сильно закарстованных районах наблюдаются пещеры, состоящие из нескольких этажей. Нижний предел развития карста называется базисом коррозии (уровень ближайшей реки). Понижение уровня базиса коррозии вызывает понижение уровня грунтовых вод и, соответственно, активизирует карстовый процесс.

Недоучет развития на исследуемой территории карстовых процессов в инженерно-строительной деятельности может привести к катастрофическим последствиям: просадке и провалам жилых зданий над подземными полостями; деформациям железнодорожного или автомобильного полотна; значительной утечке воды из водохранилищ; поступлению грунтовых вод в подземные выработки через карстовые полости.

При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на повышение устойчивости и прочности пород – предотвращение доступа воды к карстующимся породам (нагнетание в трещины жидкого стекла, глинистого или цементного раствора) и на прекращение развития карстовых форм – гидроизоляция поверхностижирной глиной, сооружение дренажных систем, откачки, регулирование стоков(ливнеотводы).

В карстовых районах предусматривается строительство сооружений малочувствительных к неравномерным осадкам, фундаменты свайного типа или другие специальные конструктивные решения.

При проектировании зданий и сооружений в карстовых районах предусматривается проведение комплексных инженерно-геологических изысканий согласно СП 11-105–97 Часть II, в том числе геофизических методов (электроразведка), позволяющих определить формы подземного карста.

Суффозия – вымывание мельчайших нерастворимых частиц грунта подземными водами, что часто приводит к образованию суффозионных воронок. Условия возникновения: неоднородность гранулометрического состава и превышение величины критической скорости движения потока. В городских условиях суффозионный процесс может быть спровоцирован хозяйственной деятельностью человека (протечки из подземных коммуникаций, открытый водоотлив из котлованов при сооружении фундаментов). При строительстве объектов на суффозионных грунтах применяют различные способы:

– прорезка фундаментами зданий слоя суффозионного грунта;

– прекращение фильтрации подземных вод (дренаж, отвод воды, водонепроницаемые завесы);

– упрочнение пород (силикатизация, цементация);

– применение свайных фундаментов.

 

Мерзлотные процессы

Горные породы, имеющие отрицательную или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, называются мерзлыми. Скальные грунты при сезонном промерзании и оттаивании активно разрушаются за счет расклинивающего действия замерзающей воды, которая при переходе в твердое состояние увеличивается в объеме на 9,1 %. Дисперсные грунты связные и несвязные при замерзании увеличиваются в объеме и становятся водонепроницаемыми. Разрабатываются как скальные грунты. Несвязные грунты (пески, гравийные грунты и т. д.) при низких значениях влажности практически не изменяют свои свойства в процессе оттаивания и промерзания. Особенно сильно сказывается процесс оттаивания на органических (торф, ил) и глинистых грунтах, которые переходят в текучее состояние и теряют несущую способность (выдавливаются из-под сооружений).

При устройстве котлованов необходимо учитывать глубину промерзания d_f, которая зависит от климата и литологических особенностей грунтов и колеблется от нескольких сантиметров до 2–3 м. Для Екатеринбурга – глубина промерзания составляет 1,8–2,0 м.

Величина d_f  определяется:

– по карте СНиП,

– рассчитывается по формулам,

– по итогам многолетних наблюдений.

Криолитозона – область распространения многолетнемерзлых пород (в России около 60-70 % территории – 11 млн. км². Многолетнемерзлыми называют грунты, которые находятся в мерзлом состоянии более 2-3 лет. В России выделяют три зоны многолетнемерзлых грунтов: сплошная мерзлота – крайний север, с мощностью в сотни метров, температура –7–12 ºС; зоны с таликами – участки с талыми грунтами, мощностью 20-60 м, температура –0,2–2 ºС; островная – мерзлые грунты встречаются на отдельных участках, мощностью 10-30 м, температура 0–0,3 ºС.

Деятельный слой – верхний слой земной коры в областях холодного и умеренно холодного климата, подвергающийся периодическому промерзанию и оттаиванию. В зависимости от местоположения, температурного режима деятельный слой может быть сезонноталымили сезонномерзлым.

Сезонномерзлый слой – это верхний слой земной коры, подвергающийся промерзанию в зимнее время года.

Сезонноталый слой – верхняя часть многолетнемерзлой толщи, оттаивающей в летнее время.  При этом в основании сезонноталого слоя залегают мерзлые породы.

Основная особенность мерзлых грунтов– наличие льдав виде цемента (массивная текстура), линз и прослоев (сложная текстура) и пересекающихся прослоев в разных направлениях (сетчатая текстура). При оценке свойств мерзлых грунтов имеет значение льдистость (общее количество льда в единице объема грунта).

Криогенные процессы

Морозное пучение возникает при промерзании деятельного слоя и проявляется в виде локальных поднятий дорожных одежд зимой (увеличение объема породы при промерзании на 10 %), при оттаивании образуются провалы. Меры борьбы – замена пучинистых (пылеватых) грунтов.

Выпучивание фундаментов (морозное пучение) приводит к выпиранию столбов, фундаментов из оснований, сложенных глинистыми грунтами. В связи с этим глубина заложения фундаментов должна превышать глубину слоя сезонного промерзания.

Бугры пучения (гидролакколиты) – подъем деятельного слоя при промерзании межпластовых вод.

Термокарст – проседание земли при оттаивании грунтов в результате нарушения теплового режима поверхностного слоя.

Наледь – скопление льда на поверхности в результате излившихся подземных или речных вод.

Солифлюкция – оплывание оттаявших пологих склонов южной экспозиции по мерзлым грунтам.

Курум – нагромождение глыб, медленно сползающих вниз по склону. Распространены в областях распространения многолетнемерзлых пород. По форме подразделятся на «каменные плащи» (поля) и «каменные реки».

Основным правилом строительства на многолетнемерзлых грунтах является прогноз и регулирование температурного состояния мерзлых грунтов. Для предотвращения оттаивания мерзлоты между землей и первым этажом сооружения оставляют вентилируемое пространство, обычно 1–1,5 м. Прокладка коммуникаций осуществляется над поверхностью земли и особое внимание уделяется их тепло- и гидроизоляции.

Строительство в районах распространения многолетнемерзлых пород регламентируется специальными СНиП и СН и производится по трем принципам:

– с сохранением мерзлоты на весь период эксплуатации (свайные основания);

– с предварительным оттаиванием и последующим укреплением основания или его заменой на другие грунты;

– на скальном основании – без учета мерзлоты.