Развиваясь в геологической среде, инженерно-геологические процессы находятся в тесной связи и зависимости от окружающих геологических условий.
Основными характеристиками геологической среды являются тектоническое строение и современные тектонические процессы, сейсмические условия, трещиноватость горных пород, геоморфология и рельеф территории, стратиграфический разрез, экзогенные геологические процессы и гидрогеологические условия. Рассмотрим их связь с ИГП.
Тектоника. К тектоническим условиям, влияющим на развитие инженерно-геологических процессов и инженерную деятельность человека, относятся имеющиеся тектонические структуры, формы залегания пород, наличие тектонических разломов и зон дробления, трещиноватость пород, наличие на территории магматических тел и современные тектонические движения.
Тектоника формирует общий план рельефа территории, начиная от самых крупных по размеру элементов и заканчивая многими мелкими.
Океаны и континенты, равнины, низменности, плоскогорья, горные хребты, массивы и горные страны - все это внешние формы тектонических структур.
Долины крупных, средних и даже малых рек в большинстве случаев наследуют направление геологических структур и разломов земной коры, даже в тех случаях, когда они перекрыты толщей осадочных пород в сотни и тысячи метров (рис.2.2).
На основе данных о форме залегания пород (горизонтальной, наклонной, складчатой, с разломами, зонами дробления и магматическими телами) составляются расчетные схемы оснований сооружений и схемы компоновки сложных объектов, включающих многие сооружения (рис. 2.3).
Рис. 2.2. Пример наследования долиной реки тектонической структуры
Рис. 2.3. Формы залегания пород, при которых создаются различные расчетные схемы основания:
а - горизонтальная; б - наклонная; в - складчатая; г - с тектоническими разломами; д - с присутствием магматического тела
Современные тектонические процессы воздымания (поднятия) и опускания территории часто являются причиной активного развития склоновых процессов таких как оползни, осыпи, обвалы, сели, эрозия, оврагообразование.
Современное тектоническое воздымание или опускание может составлять миллиметры или даже сантиметры в год и охватывают значительную часть суши, а с учетом того, что геологическая история насчитывает многие тысячи лет, суммарное поднятие ли опускание может быть весьма значительным. Очевидным является тот факт, что поднятие территории ускорит склоновые процессы - увеличивается высота местности, увеличивается крутизна склонов.
Тектоническое опускание в большинстве случаев стабилизирует склоновые процессы, но может активизировать их на морских побережьях. Причина заключается в том, что под воду начинает уходить пляж и ширина его сокращается. В стабильных условиях энергия волн гасится пляжем. В том же случае, когда ширина пляжа сокращается, волны начинают достигать коренного берега и разрушать его.
Землетрясения. Сейсмическая активность в обязательном порядке оценивается при инженерном освоении территорий. Землетрясения силой в 1 - 4 балла являются практически незаметными, землетрясения в 5 баллов заметны, но почти не оставляют разрушений, землетрясения от 6 баллов являются сильными и разрушительными, а соответствующие им территории называются сейсмичными.
Сейсмичность территории всегда принимается во внимание строителями и инженерами-геологами. Строители изменяют и усиливают конструкцию фундаментов и самих сооружений.
Главная задача геологов - оценить возможную максимальную балльность землетрясений. Для этого на территории России и б.СССР создана и содержится сеть сейсмических станций. Используются также исторические источники, сообщающие о землетрясениях, произошедших в прошлом. В итоге строятся карты сейсмического, детального и микросейсмического районирования, отличающиеся масштабом. Во-первых, карта сейсмического районирования разделяет сейсмическую и асейсмическую зоны. Далее с шагом в один балл сейсмическая зона подразделяется на площади с возможной максимальной силой землетрясения в 6, 7, 8, 9 и 10 баллов.
В 1978 году была составлена карта сейсмического районирования территории СССР, однако в последующие двадцать лет во многих местах произошли землетрясения, превысившие по силе балльность, указанную на той карте. В середине 1990-х годов карта была составлена заново. В настоящее время ведутся работы над картой, составленной на вероятностной основе, показывающей силу землетрясений многолетней повторяемости.
Карты микросейсмического районирования составляются только для территорий населенных пунктов. При этом учитываются локальные обстоятельства, усиливающие или ослабевающие сейсмический толчок. Это в основном грунтовые и гидрогеологические условия.
Строительные нормы и правила СНиП II-7-81 принимают в качестве эталонных инженерно-геологические условия на плотной глинистой толще, тогда ожидаемую балльность на скальных породах можно уменьшить, а на рыхлых водонасыщенных грунтах увеличить на единицу. Другие авторы предлагают свои схемы пересчета балльности.
Если землетрясение происходит в населенном пункте, то помимо измерений аппаратурой изучаются площади разрушенной и не разрушенной застройки, анализируется характер разрушений, что также служит материалом для составления карты микросейсмического районирования.
Сейсмические толчки могут стать причиной обвалов, лавин, селей, активизировать оползневой и осыпной процессы.
Трещиноватость. Трещины могут появляться в горных породах по различным причинам и современная трещиноватость конкретной породы может объясняться суммой многих факторов.
1. Тектоническая трещиноватость возникает за счет движений земной коры и развития соответствующих напряжений в горных породах. Тектоническая трещиноватость может равномерно сплошь пронизывать толщи горных пород. Она многократно усиливается в местах перегиба складок и особенно вблизи тектонических разломов, вокруг которых образуются целые зоны дробления.
2. Литогенетическая трещиноватость. Наблюдается в морских осадочных породах. Эти породы образуются из жидкого осадка, который накапливается на дне моря в виде многометровой толщи. 0садок постепенно уплотняется, из него отжимается вода и он каменеет, превращаясь в твердую породу.
Очевидно, что при этом имеет место значительное сжатие материала по вертикали и, предположительно, небольшое по горизонтали, что в итоге приводит к образованию трещин параллельных и перпендикулярных напластованию.
3. Трещиноватость остывания в магматических породах. Предполагается следующая схема. Объемы магматических расплавов велики и могут составлять многие кубические километры. Такое количество материала не может остывать равномерно. Неизбежно наступает ситуация, когда внешний объем магмы уже застыл и затвердел, а внутренний еще остается горячим.
Так как при остывании любой материал уменьшается в объеме, то застывшая магматическая порода будет испытывать растягивающие напряжения и растрескиваться. Сжаться ей не даст все еще горячий магматический расплав, находящийся внутри магматического тела и потому сохраняющий начальный объем.
При медленном остывании магматическая порода остается плотной.
По мере остывания процесс распространяться вглубь, приводя к дальнейшему растрескиванию (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Образование трещин при затвердевании магматического тела
4. Трещины бортового отпора. Возникают по высоким склонам речных долин. Предполагается, что горные породы, вскрытые современной долиной, первоначально находились в некотором сжатом и напряженном по горизонтали состоянии. После выработки долины напряжение в открывшейся на склоне породе снимается и ее краевая часть чуть отходит от основной массы. Начальная трещиноватость усиливается и на склоне обособляются блоки размером в несколько метров (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Трещины бортового отпора
5. Трещины выветривания. Развиваются совместно с прочими процессами выветривания и усиливают первоначальную трещиноватость. Распространяются вглубь породы на десятки сантиметров или первые метры в осадочных породах, усиливая литогенетическую и тектоническую трещиноватость, придают внешнему виду породы характерную блочность (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Блочность осадочных пород
Кливаж - способность породы раскалываться на пластинки и призмы по системе параллельных трещин.
Пустотность, раскрытие, ширина трещин - термины, используемые для оценки размеров трещин. Обычно ширина трещин внутри массива бывает небольшой - так, что соседние блоки породы упираются друг в друга, и составляет доли миллиметра. Широкие, раскрытые трещины встречаются только вблизи поверхности либо в зонах дробления.
Направление трещиноватости. Перечисленные ранее виды трещиноватости обычно образуют в горных породах по несколько систем трещин, параллельных друг другу. В осадочных породах обычно имеются трещины параллельные напластованию. Прочая трещиноватость часто бывает параллельна местным и региональным тектоническим разломам.
Залеченная трещиноватость - трещины, заполненные вторичным материалом, что возможно в двух случаях. При движении подземных вод по трещинам горных пород возможно выпадение в осадок различных минеральных веществ, преимущественно карбоната кальция, - так происходит заполнение трещин кальцитом. Трещины магматических пород могут вторично заполняться прорвавшимся и далее застывшим магматическим расплавом.
Наличие, направление и интенсивность трещиноватости влияет на гидрогеологические и инженерно-геологические свойства пород и их массивов.
От трещиноватости зависят фильтрационные и коллекторские свойства пород, режим подземных вод, конструкция водозаборных скважин, фильтрационные потери на водохранилищах, устойчивость скальных оснований и сводов подземных сооружений, устойчивость склонов, скорость развития инженерно-геологических процессов, таких как выветривание, осыпи, обвалы, сели, карст, эрозия, морская абразия, переработка берегов водохранилищ, процессы в котлованах, тоннелях и шахтах.
Стратиграфия. Развитие инженерно-геологических процессов всецело зависит от местного разреза горных пород, залегающих на поверхности, вскрывающихся на склонах или залегающих на некоторой глубине, но попадающих в сферу влияния действующих или проектируемых сооружений.
К примеру, в качестве основания скальные и песчано-глинистые породы ведут себя как жесткий упругий или мягкий сжимаемый материал. Если на осваиваемой территории имеются лессы, следует опасаться развития процесса просадочности, если имеются карбонатные, сульфатные или галоидные породы, следует ожидать карстовых проявлений.
Рельеф и геоморфология. Рельеф, геологическое строение, экзогенные и инженерно-геологические процессы находятся в тесной связи друг с другом. Геоморфология - раздел геологической науки, рассматривающий эту связь. В целом рельеф является закономерной функцией геологического строения и массы мелких случайных обстоятельств, причем преобладать может как закономерная, так и случайная составляющая.
Напомним, что крупные формы рельефа - равнины, низменности, плоскогорья, горные хребты и массивы формируются под влиянием тектоники. При формировании более мелких форм рельефа, например речных долин, тектоника тоже принимает участие, но на первый план начинают выходить поверхностные (экзогенные) геологические процессы. Они формируют мелкие возвышенности и ледниковые гряды, водноледниковые песчаные поля и горки, лессовые пространства, конусы выноса и предгорные поверхности выравнивания, понижения болот и ледниковых озер, террасы и поймы рек, задают форму водораздельных пространств и крутизну склонов.
Собственно большинство из этих форм рельефа являются внешней поверхностью соответствующих геологических тел с их составом и свойствами. В пределах различных форм и элементов рельефа следует ожидать различные инженерно-геологические процессы.
Например, при равнинном низинном рельефе большинство процессов затухает и возможно преимущественное развитие болот, боковой эрозии, меандрирование рек и морская абразия. При характерном рельефе ледниковых гряд и возвышенностей следует ожидать интенсивного развития оползней, при общем расчлененном рельефе и глубоких долинах рек - активного протекания склоновых и суффозионных процессов.
Экзогенные геологические процессы (ЭГП). ЭГП - это внешние процессы, протекающие на поверхности земли. К ним относятся выветривание, процессы, связанные с деятельностью моря, подземных и поверхностных текучих вод, ветра, ледников, живых организмов, человека, эрозия, склоновые процессы.
Часть из этих процессов, активно влияющих на обустройство и сохранность природной среды принято называть инженерно-геологическими ИГП. Соотношение конкретных ЭГП и ИГП может быть неодинаковым. Например, оползни или эрозия на территории населенного пункта - это всегда ИГП, привлекающие пристальное внимание. Оползни в отдаленной дикой местности могут считаться ЭГП. Ветровые процессы обычно рассматриваются как ЭГП и лишь в отдельных случаях, например, когда пески подступают к сооружениям, - как ИГП. Это же касается речной эрозии, морской абразии, выветривания и многих других процессов.
Гидрогеологические условия. Существенное влияние на развитие инженерно-геологических процессов и формирование инженерно-геологических условий оказывают гидрогеологические условия, которые во многих случаях рассматриваются совместно с инженерно-геологическими условиями. К гидрогеологическим условиям принято относить выделенные водоносные горизонты и связь между ними, глубину залегания, распространение, движение, химический состав и свойства, режим, баланс подземных вод и многое другое.
Практически ни один инженерно-геологический процесс не обходится без участия или влияния подземных и поверхностных вод. Положение УГВ, водно-физические и фильтрационные свойства грунтов измеряются десятками, сотнями, а то и тысячами раз в зависимости от размеров и класса капитальности сооружений и всегда присутствуют в расчетных схемах.
Процессы в основании сооружений, карст, суффозия, плывуны, склоновые процессы, просадочность и другие процессы, связанные с увлажнением грунтов, процессы на каналах, водохранилищах, вблизи водозаборов, в котлованах, подземных и очистных сооружениях - все протекает при участии подземных и поверхностных вод, присутствие которых является важнейшим фактором, формирующим состояние и свойства приповерхностного слоя горных пород.
Абразия и подводные оползни. Абразия - это процесс разрушения волнами моря или крупного озера коренных пород берега и размыв пляжа. Разрушение берега происходит за счет ударного воздействия волн во время шторма и постоянной работы прибоя, если берег не защищен пляжем. Если берег сложен песчано-глинистыми породами, размыв может происходить также за счет действия морских течений. Пляж, если он формируется, выполняет двоякую роль. Во-первых, в виде галечника, гравия, песка и т.п. он аккумулирует окатанные продукты разрушения коренного берега. Во-вторых, пляж гасит энергию волн, которые в большинстве своем просто не достигают коренного берега (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Абразионный склон и пляж на морском побережье
Пляж не формируется, если вдоль берега проходят сильные морские течения, размывающие его. Естественный пляж может быть размыт, если в результате деятельности людей нарушается экологическое равновесие местности. Построить и сохранить пляж от размыва в таком месте, где его раньше не было, - сложная, но выполнимая задача в области природообустройства, требующая проведения комплекса изыскательских, в том числе инженерно-геологических работ. Известны случаи, когда причиной ускорения абразии и интенсивного размыва пляжей становились подводные оползни - это случаи срыва и быстрого ухода на глубину больших масс грунта крутого подводного склона. На освободившееся место переоткладывается материал пляжа.
