Карстовые процессы. В каких породах, при каких условиях, с какой скоростью они развиваются. Разновидности и размеры карстовых форм

Карстовые процессы. Это процессы выщелачивания водораст­воримых горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подзем­ными и атмосферными видами и образования в них различных пустот

Для карстового процесса (в отличие от обычной суффозии) главным является растворение пород и вынос из них веществ в растворенном виде

Возникновение и развитие карста обусловлено способностью пород к полному растворению, наличием проточной воды и степенью ее минерализации, геологическим строением участка, ре­льефом местности, трещиноватостью пород, характером растите­льности, климатом.

Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли (хлориды), гипсы с ангидритами и известняки. Аналогичным образом растворяются доло­мит и магнезит.

Одним из главных факторов карстообразования является дей­ствие воды — атмосферной, речной, подземной, если она не об­ладает повышенной минерализацией. Наиболее сильно растворя­ет породы слабо минерализованная вода, а также водные растворы, содержащие свободную углекислоту. В этом случае рас­творяющее действие воды увеличивается во много раз. Растворе­нию способствует повышенная температура и движение воды.

Одним их самых важных условий развития карста является сте­пень водопроницаемости пород. Чем более водопроницаема порода тем интенсивнее развивается процесс растворения. Наилучшие условия в этом отношении создаются в трещиноватых породах, особенно при наличии трещин шириной не менее 1 мм, так как это обеспечивает свободную циркуляцию воды. Вода постепенно разрабатывает трещины в каналы и пещеры. Этот процесс, полу­чивший название коррозии, продолжается до водоупора или уровня подземных вод. У коррозионного процесса, как и у эрозионного, имеется нижний предел развития, называемый базисом коррозии, которым чаще всего бывает уровень ближайшей реки, озера или моря, а также поверхность водоупорных пород

Ниже уровня подземных вод карстообразование не происходит. В этой части массива наблюдается цементация тре­щин за счет выпадения из водного раствора кальцита. В связи с этим в карстующемся массиве следует различать зону карстообразования и зону цементации

Интенсивность карстообразования определяется мощностью слоя карстующихся пород. При малой мощности исключается возможность возникновения больших пустот. К тому же мало­мощные слои растворимых в воде пород часто переслаиваются с глинами, иногда даже перекрываются глинистыми отложениями. Глинистый материал препятствует циркуляции воды, заполняет трещины

Очень большое влияние на развитие карста оказывает климат (количество и характер распределения осадков по сезонам года, температурный режим верхних слоев земной коры). При рельефе, который не обеспечивает поверхностного стока, роль атмосферных вод значительно возрастает.

Влияние растительности на развитие карста двоякое. С одной стороны, лесная подстилка и гумус обогащают воду свободной С0₂ и усиливают ее растворяющую деятельность, с другой сторо­ны, глинистый элювий, формирующийся на покрытых раститель­ностью территориях, уменьшает инфильтрацию и размывающую силу поверхностных вод. Уничтожение леса и дернового покрова всегда способствует развитию поверхностных карстовых форм.

Формы карста. В процессе выщелачивания в карсгующихся породах образуются различные по своему положению и форме пустоты, или карстовые формы.

По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и скрытый. При открытом типе карстующиеся породы лежат непосредственно на поверхности земли, а при скрытом они перекрываются слоями нерастворимых водопрони­цаемых пород и лежат на некоторой глубине.

Из многочисленных форм карста наиболее часто встречаются: на поверхности земли — карры, воронки, полья и в глубине карстующихся толщ — каверны и пещеры.

Карры — мелкие желоба, борозды и канавы на склонах рельефа местности из карстующихся пород в виде известняков. Глубина карров колеблется от нескольких сантиметров до 1—2 м.

Воронки —углубления различных форм и размеров. Диаметр их колеблется от 3—4 до 40—50 м, глубина от 1—2 до десятков метров.

По происхождению воронки разделяют на поверхностные и провальные. Поверхностные воронки образуются в результате выщелачивания и размыва пород атмосферными и талыми водами в области открытого карста. Форма этих воронок обычно блюдце­образная. Провальные воронки возникают при обрушении кровли над подземными пустотами (пещерами и т. д.). Значителььные по размерам провальные воронки иногда именуют пропастями..

Полъя возникают в результате постепенного объединения во­ронок или опускания больших участков земной поверхности в результате карстового выщелачивания пород на глубине толщ. По длине полья простираются на сотни метров и даже километров, глубина достигает нескольких метров.

Каверны образуются в результате растворения пород по мно­гочисленным трещинам. Карстующиеся породы становятся похо­жими на пчелиные соты.

Пещеры — подземные пустоты, формирование которых связа­но с растворением пород и сопровождается эрозией и обрушени­ем. Колебание базиса коррозии нередко приводит к появлению пещер, располагающихся в несколько этажей.

При строительстве в карстовых районах необходимо осуществлять ряд мер, направленных на прекращение развития карстовых форм, повышения устойчивости и прочности пород:

· предохранять растворимые породы от воздействия поверхно­стных и подземных вод, что достигается планировкой территории, поверхности слоем жирной глины, выполняющей роль гидроизоляции.

· упрочнять карстующиеся породы и одновременно предотвра­щать доступ в них воды, что может быть достигнуто нагнетанием в трещины и мелкие пустоты жидкого стекла, цементного или гли­нистого раствора, горячего битума

Принципиальное значение имеет определение степени актив­ности карстового процесса. В связи с этим различают: действую­щий карст, который развивается в современных условиях, и пас­сивный, или древний, карст, развитие которого происходило в прошлом. В последнем отсутствует циркуляция воды. Такие кар­стовые формы часто содержат делювиально-пролювиальный материал, задернованы, покрыты кустарниковой и даже древес­ной растительностью. При изменении базиса коррозии и других причин пассивный карст может перейти в активную стадию

При активном карсте степень закарстованности пород про­должает возрастать. Для растущих карстовых форм характерны четкие очертания, циркуляция воды, зияние трещин, отсутствие древесной растительности

Возможности возведения сооружения в районе активного кар­ста определяют сроком службы и особенностями его эксплуата­ции. В связи с этим важное значение имеет определение скоро­сти развития карстового процесса. Для приближенной оценки степени закарстованности территории и скорости развития карста существует ряд способов, в том числе длительное наблюдение за карстообразованием в данном районе

 

Плывуны

Плывунами называют водонасыщенные рыхлые породы, обыч­но пески, которые при вскрытии различными горными выработ­ками разжижаются, приходят в движение и ведут себя подобно тяжелой вязкой жидкости

Плывунные свойства, кроме песков, при определенных усло­виях могут проявлять пылеватые суглинки, супеси, т. е. породы, обладающие значительной пористостью

Основной причиной проявления у пород плывунных свойств является гидродинамическое давление поровой воды, которое со­здается в результате перепада давления фунтовых вод при вскрытии котлована (траншей и т. п.)

В плывунном состоянии породы утрачивают всякие структур­ные связи. Частицы переходят во взвешенное положение, т.е. по существу, плывуны имеют в этот момент плотность некоей вяз­кой жидкости

Плывуны, находящиеся в покое, слабо отдают воду и малово­допроницаемы

Плывуны разделяют на ложные (псевдоплывуны) и истинные

Ложные плывуны — это породы, не имеющие структурных свя­зей, обычно в виде различных песков. Переход в плывунное со­стояние происходит под действием высокого гидродинамического давления потока подземных вод. Частицы породы находятся во взве­шенном состоянии. Трение между ними сводится к нулю. Пески этого вида плывунов очень легко оплывают. Вода светлая или слабо мутная. Взвешивающее действие воды при определенных условиях проявляется также в песках некоторых морских побере­жий, образуя так называемые зыбучие пески. Характерной особенностью ложных плывунов является до­вольно легкая отдача ими воды. При высыхании они образуют рыхлую или слабо сцементированную массу

Истинные плывуны — это породы в виде глинистых песков, а также супесей, суглинков. Структурные связи обусловлены присутствием глини­стых (менее 0,001 мм) частиц с высокими гидрофильными свой­ствами. Переход в плывунное состояние определяется невысоким гидродинамическим давлением и присутствием притягивающих к себе влагу глинистых частиц. Вокруг этих частиц формируются пленки связанной воды, что ослабляет структурное сцепление и уменьшает водопроницаемость пород. Глинистые частицы окрашивают воды в серовато-молочный цвет. При высыхании истинные плы­вуны вследствие склеивающего действия глинистых частиц образуют довольно сильно сцементированные массы. Характерной особенностью истинных плывунов является слабая отдача воды. Они «плывут» в основном за счет физически связанной воды

В строительной практике важно определить способность по­роды переходить в плывунное состояние и вид плывуна. Это можно сделать по ряду внешних признаков и на основе лабора­торных анализов

Склонность породы переходить в плывунное состояние мож­но установить по величине водоотдачи, высокой пористости, по гидрофильности глинистых частиц и другим факто­рам. В полевых условиях способность к плывунности пород устанавливается по образованию в скважинах при бурении водо­песчаных «пробок»

Наиболее сложно определить вид плывуна. Можно использовать некоторые внешние признаки. Так, истинный плывун в котлованах дает скопление воды в виде «цементного» молока. Песок, взятый из котлована, имеет вид маловлажного грунта, воду не отдает и по­степенно оплывает в лепешку

Плывуны осложняют строительство. Они создают большие трудности в проходке строительных выработок, стремясь запол­нить выработанное пространство. При условии замкнутого про­странства плывуны могут быть надежными основаниями, но со­здать такой контур трудно. Возможно выпирание плывунов из-под фундаментов, что вызывает оползни, провалы поверхно­сти, деформацию зданий и сооружений. Открытый водоотлив из котлованов опасен проявлением суффозии на окружающей тер­ритории. Опасна подрезка склона, дающая выход плывунам. Плывуны очень чувствительны к вибрации и динамическим ударам, даже на значительно удаленных расстояниях от места возмущения

Борьба с плывунами сложна и не всегда принятые меры дают желаемые результаты. В таких случаях приходится отказыватьсяот устройств котлованов и применять свайный вариант фунда­ментов или подошву фундамента не доводить до слоя плывунных пород. В выборе метода борьбы важнейшее значение имеет вид плывуна.

Все способы борьбы с плывунами можно разделить на 3 группы:

· искусственное осушение плывунных пород в период строите­льства (открытая откачка воды из котлованов, иглофильтры и др.);

· ограждение плывунов путем создания шпунтовых стен (рис. 164);

· закрепление плывунов путем изменения их физических свойств (силикатизация, цементация, замораживание и т. д.).

Для ложных плывунов применимы все способы борьбы. В борьбе с истинными плывунами можно использовать ограждение, замораживание и электрохимическое закрепление. При проходке подземных выработок используют повышенное давление, уравно­вешивающее давление воды плывуна.

Строительный котлован от плывуна можно оградить шпунто­вой крепью, задача которой — прорезать слой плывунной породы и принять на себя ее давление.

Замораживание плывунов является временным и ненадежным мероприятием. Для этого используют или морозное время года, или специальные холодильные установки. В зимнее время про­ходку котлованов проводят поэтапно, после каждого периода промораживания грунта на глубину 20—30 см. Искусственное за­мораживание осуществляют вокруг котлована путем циркуляции в скважинах раствора СаС1₂, охлажденного до — 20—40 °С. Это создает вокруг котлована зону замороженного водопроницаемого грунта

Силикатизация — нагнетание в плывуны жидкого стекла. Это возможно при достаточно высокой водопроницаемости плывунов. Силикатизация требует больших затрат, но весь­ма эффективна