Литосфера и ее инженерные свойства.

Литосфера характеризуется веществом, которое находится преимущественно в твердом состоянии, строением, рельефом, инженерно-геологическими и геоморфологическими процессами.

Вещественный состав и свойства.

Вещество литосферы или земной коры представлено различными минералами, которые, кристаллизуясь совместно. образуют горные породы. Наибольшее распространение в приповерхностных слоях земной коры имеют кварц, полевые шпаты, слюды, роговая обманка, гипс, кальцит и некоторые другие породообразующие минералы. По условиям образования горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические. Магматические породы по условиям застывания и кристаллизации делятся на интрузивные (глубинные, крупнокристаллические - гранит, габро и др.) и эффузивные или излившиеся на поверхность породы, со скрытокристаллической (базальт, андезит), либо стекловидной структурой. По содержанию оксида кремния их делят на кислые (более 65% оксида), основные (40 - 50%) и ультраосновные (менее 40%) — наиболее тяжелые породы.

Осадочные породы по происхождению подразделяются на обломочные, глинистые, хемогенные и органогенные. Типы, свойства, состояния и индикационные признаки обломочных и глинистых пород представлены в табл. 3. 1. Из органогенных пород особое значение для жизнедеятельности современного общества имеют каустобиолиты — нефть, уголь, торф.

Таблица 3. 1

Свойства обломочных и гллнистых пород.

Метаморфические породы — это породы изменившиеся под влиянием высоких температур и давления в толще земной коры.

В инженерных геологии и географии, строительной практике приповерхностные слои горных пород принято называть грунтами или почвогрунтами. Их свойства — плотность, водопроницаемость, сжимаемость, растворимость и другие сильно влияют на процессы формирования поверхностных и подземных вод, водный баланс территории, миграцию химических элементов, почвенно-растительный покров, а также инженерное обустройство хозяйственной деятельности. Поэтому сведения о характере поверхностных пород включаются в земельный, водный и лесной кадастры. Являясь основанием фундаментов грунты сильно влияют на технологии, сложность и стоимость строительных работ, а также устойчивость и безопасность функционирования инженерных сооружений. Как почвообразующие породы, они определяют физико-химические свойства почв, почвообразование, эрозионную опасность и, соответственно, сельскохозяйственное производство. Расшифруем некоторые физико-механические и химические свойства и показатели грунтов, анализируемые в инженерной практике.

Сжатие — изменение объема грунта при нагрузках. Эта величина возрастает от скальных пород к рыхлым. К тому же у скальных пород сжатие упругого типа, а у рыхлых — невосстанавливаемое. У рыхлых грунтов сжимаемость возрастает от песчаных к глинистым. В последних она может достигать 10 - 15 %.

Просадочность — это свойство грунта уменьшать свой объем при намокании. Она характерна для мелкодисперсных пород с высокой пористостью (40 - 50 %), например, лессов. В природе это свойство грунтов диагностируется небольшими просадочными западинами, характерными для степных и полупустынных ландшафтов.

Суффозия — механический вынос пылеватых частиц грунтовыми водотоками, сопровождающийся оседанием грунта и образованием на поверхности просадочных западин и воронок.

Расстворимость — расстворение содержащихся в грунтах карбонатов, гипса, солей, сопровождающееся образованием карстовых полостей, воронок и других карстовых форм.

Плывунность — свойство грунта разжижаться и оплывать при водонасыщении.Чаще проявляется в несвязных, непластичных породах. Признаками склонности пород к разжижению могут быть преобладание в породе двух резко различающихся по диаметру фракций и большая пористость. Часто таким свойством обладают пылеватые и глинистые пески.

Водопроницаемость или способность к фильтрации, зависит от механического состава грунтов. Она измеряется коэффициентом фильтрации, уменьшающимся от крупных песков к глинам на 2 - 3 порядка (от 2 м/час, до 2 - 5 см/сут). В мерзлом состоянии грунты водоупорны, но проницаемы для рассолов.

Мерзлотные свойства, проявляются при сезонном и многолетним промерзании и протаивании грунтов. Зависят от механического состава грунтов их водонасыщенности, льдистости и других факторов. Проявляются в морозном выветривании, пучении, просадках, деформации фундаментов.

Связь литологии с генезисом грунтов позволяет диагностировать многие их свойства по картам и непосредственно в поле, не прибегая к сложным анализам. Так в аллювиальных отложениях, русловая фация промытых песков характеризуется высокой водопроницаемостью и слабой сжимаемостью. Пойменный аллювий суглинисто-иловатый, более сжимаем. Пролювиальные отложения характеризуются радиальной дифференциацией, то есть сменой крупнофракционных отложений, мелкозернистыми фракциями от вершин конусов выноса оврагов к их нижним краевым частям. Соответственно, снижается водопроницаемость и нарастает сжимаемость грунтов, их влажность. Моренные грунты — суглинистые с включениями валунов и щебня, водоупорны, при увлажнении пластичны, сжимаемы на 8 - 15 %, часто, при увлажнении, способны к набуханию до 5 %.

На свойства грунтов большое влияние оказывают региональные геоморфологические факторы, а также совокупность зональных факторов, связанных с климатом. Грунтовые воды тоже сказываются на свойствах грунтов. На недренированных междуречьях в гумидном климате и в депрессиях рельефа они подходят близко к поверхности, что может вызывать переувлажнение грунтов, заболачивание или засоление.

Все более значимым для свойств грунтов становится и антропогенный фактор. Формами его воздействия и проявления в свойствах грунтов являются: — изъятие, перемещение и перемешивание пород в результате планирования территорий и строительства траншей, шахт, карьеров; — уплотнение под фундаментами инженерных сооружений и дорогами, при сельскохозяйственных и рекреационных нагрузках: — площадное иссушение грунтов при промышленных откачках и в результате активного стекания воды с асфальто-бетонных покрытий городов и промплощадок; — подтопление, заболачивание или засоление в результате строительства инженерных сооружений, нарушающих поверхностный и подземный сток; — изменение химического, а иногда и механического состава грунтов при сбросах загрязнителей.

При инженерной оценке грунтов их делят по механическим свойствам на три группы — скальные, полускальные, рыхлые.

Скальные грунты — это магматические, метаморфические и некоторые осадочные породы (песчаники, известняки). Они выдерживают нагрузки более 10 кг/кв.см (до 50кг) и практически не деформируются, что заметно превышает существующие нагрузки от инженерных сооружений. Влажность и температурный режим почти не сказываются на их прочностных характеристиках. При проходке тонелей, траншей, строительстве котлованов скальные грунты относят к высшим (V - VI) категориям сложности. Степень их корозионности низкая

Полускальные грунты — мергели, глинистые сланцы, опоки, алевролиты, аргелиты. Допустимые давления на них колеблются в пределах 5 - 10 кг/кв.см. Превышение допустимых нагрузок ведет к их деформации и уплотнению. Категории сложности при их разработке высокие (IV - V), корозионность низкая.

Рыхлые грунты — представлены преимущественно обломочными и глинистыми породами. Физико-механические и химические свойства рыхлых грунтов сильно зависят от механического их состава, связности (сыпучести), окатанности, сцементированности частиц, поэтому очень сильно варьируют. Так для песков в талом состоянии допустимые нагрузки не превышают 1,5 - 2,5 кг/кв.см, а для глинистых грунтов — 1,5 - 5 кг/кв.см, в зависимости от их влажности. Категории сложности для разработки — I - IV. Корозионность высокая.

Важное значение для инженерно-географических изысканий имеет эндогенная динамика земной коры и связанные с ней тектонические структуры. Наибольший практический интерес представляют современные движения земной коры. Результатом их могут быть вертикальные (радиальные), положительные или отрицательные, а также горизонтальные (тангенциальные) перемещения земной поверхности. Наиболее опасные подвижки земной поверхности случаются при землетрясениях. При этом возможны разрывные или дизъюнктивные нарушения залегания горных пород, с образованием трещин без смещения и со смещением их слоев относительно друг друга. Наибольшей подвижностью земной коры отличаются геосинклинальные области или зоны.

При оценке геологических условий территории для хозяйственной деятельности обычно используют различные инженерно-геологические карты. В них дается инженерная характеристика поверхностных отложений, пространственное распространение и интенсивность проявления опасных геолого-геоморфологических процессов, условия залегания подземных вод, мерзлотные явления, карст и др.

Свойства литогенной основы влияют и на другие компоненты ландшафта. Характер поверхностных отложений заметно влияет на климатические и гидрологические эрозионные характеристики геосистем. Например, повышенная фильтрация рыхлых отложений уменьшает поверхностный сток атмосферных осадков. В результате снижается эрозионная опасность и доля испарения в водном и тепловом балансе территории, увеличиваются температуры земной поверхности. На территориях с глинистыми поверхностными отложениями, наоборот, наблюдается увеличение испарения и поверхностного стока, температуры почвы и, соответственно, воздуха будут несколько ниже.

Несущая способность грунтов и устойчивость инженерных

сооружений.

Устойчивость инженерных сооружений - важнейшее качество, определяющее их нормальное функционирование. Несущая способность разных горных пород, сильно влияет на устойчивость инженерных сооружений. Она неодинакова не только у разных пород, но и у одних и тех же пород, находящихся в разных ландшафтных условиях. Для характеристики несущей способности грунтов можно использовать показатели допустимых удельных нагрузок на грунты инженерных сооружений (табл.3. 2.). Из таблицы 3 видно, что допустимые удельные нагрузки на разные грунты могут меняться более, чем в 10 раз в зависимости от их состава, структуры, температурных условий, влажности и других природных характеристик.

Таблица 3. 2.

Допустимые удельные нагрузки на грунты в разных

природных условиях

Сильно меняется несущая способность грунтов и от положения площадки на разных склоновых поверхностях и водоразделах. Так очень малой несущей способностью обладают рыхлые отложения солифлюкционных склонов, характеритзующиеся массовым смещением грунта и дерновины в процессе его таяния. Эти важные с инженерной точки зрения процессы характерны для полярных полярных, высокогорных и гумидных районов. Как правило, они развиваются в поверхностной толще преимущественно глиняных грунтов и непосредственно воздействуют на сооружения с фундаментом поверхностного заложения.

Рельеф и его инженерные свойства.

Рельеф, являясь свойством литосферы, оказывает огромное влияние на хозяйственную деятельность. Инженерный анализ рельефа включает, во-первых, описание качественных, внешних или морфологических его параметров. В частности, характеризуются формы рельефа (холмы, хребты, западины, положительные, отрицательные и т.д.) и их сочетания, определяющие его тип, а также элементы рельефа ( склоны и их форма, вершины или грани, ребра и т. д.). Во-вторых, даются морфометрические, количественные его характеристики — абсолютные и относительные высоты и превышения, уклоны, длина склонов, степень выпуклости или вогнутости, расчлененность и др. В-третьих, определяется генезис форм и элементов рельефа (эндогенный, экзогенный; тектонический, эрозионный, денудационный; флювиальный, ледниковый, эоловый, криогенный, антропогенный и др.). В-четвертых, характеризуется динамика современного рельефа (преобладающие эндогенные и экзогенные процессы, их направленность и активность).

Инженерные характеристики склонов и их устойчивость.

Склоны — это элементы (грани форм) рельефа, представленные наклонными плоскостями крутизной 3 и более градусов. На склоны приходится около 80 % площади суши. Поэтому их изучение имеет большое практическое значение. При определенном сочетании природных условий склоновые процессы могут принимать опасный характер, а распространены они всюду. Так в США, Индии, Японии, Италии ежегодные ущербы от оползней оцениваются примерно в 1 млрд. долларов в каждой.

Склоны характеризуются крутизной, длиной, формой профиля и различаются особенностями движения рыхлого материала и воды. По крутизне их делят на весьма крутые - более 45⁰ (больше величины естественного откоса, которая зависит от размеров и форм обломков: для песка он равен 29-32⁰, для мелкого щебня - 33-37⁰, для крупных обломков - 45⁰); очень крутые - 30-45⁰; крутые - 15-29⁰; покатые (средние) - 10-15⁰; пологие -5-9⁰; весьма пологие - 2-4⁰. Такая классификация склонов позволяет оценивать возможную интенсивность процессов и перспективы хозяйственного использования их поверхностей. В практике инженерных изысканий для строительства уклоны на местности часто оценивают в процентах или промилях, означающих превышение склоновых поверхностей на единицу расстояния умноженное на 100 или 1000 (1⁰ = 1,78%). По длине склоны подразделяют на длинные - > 500 м, средней длины - 50-500 м, короткие - < 50 м.

По форме склоны бывают выпуклые, вогнутые, прямые и ступенчатые. Степень выпуклости или вогнутости может оцениваться отношением 1/R, где R — радиус кривизны склона. По происхождению их делят на эндогенные, экзогенные и антропогенные. Первые более типичны для районов активных тектонических движений, вторые - для тектонически относительно спокойных районов, третьи - образуются в результате хозяйственной деятельности, связанной с преобразованием рельефа (откосы дорог, выемок, отвалов и др.).

От названных характеристик склонов во многом зависят состав и мощности чехла рыхлых склоновых отложений, а вместе они определяют особенности склоновых процессов.

По возможным результатам воздействия склоновых процессов на инженерные сооружения склоны делят на три группы:

а) относительно безопасные склоны, на которых инженерные сооружения практически не испытывают воздействия склоновых процессов. Это пологие склоны с медленным массовым смещением чехла рыхлых отложений (дефлюкция и др.);

б) потенциально опасные склоны - оползневые, эрозионно- оползневые, оплывные, склоны отседания, солифлюкционные. Здесь необходима защита инженерных сооружений от негативного воздействия склоновых процессов. Защитными инженерными мероприятиями на таких склонах могут быть: лесопосадки, сооружение водоотводов и различные виды укрепительных работ.

в) опасные склоны - это преимущественно гравитационные склоны (обвально-осыпные, лавинные), крутизной 35-40⁰. Строительство на них инженерных сооружений может резко активизировать склоновые процессы и вести к катастрофическим последствиям. Такие склоны почти не пригодны для строительства инженерных сооружений, либо требуют для своего закрепления сложных и дорогостоящих мероприятий.

Устойчивые склоны характеризуются ровным профилем, отсутствием оползней, осыпей и оврагов, стабильностью склонового базиса эрозии. Для повышения устойчивости склонов проводят их облесение, изменение их морфологии - уклонов, высоты, длины, формы, можно выполнить и работы по пригрузке его основания. В результате склоновые поверхности и сопряженные с ними территории становятся более благоприятными для использования под инженерные сооружения.

Уклоны территорий одна из широко используемых в ИГ их характеристик. К тому же она относительно доступна для наблюдения в поле и может быть получена при анализе топокарт масштаба 1 : 25000 и крупнее (Табл. 3. 3.)

Таблица 3. 3.

Высота сечения рельефа на топокартах для разных районов, м

Требования к уклонам местности при разных видах ее хозяйственного освоения заметно различаются. Поэтому существуют разные классификации уклонов, в зависимости от практических целей. В инженерной практике уклоны местности чаще изучаются в следующих аспектах: — уклоны как условия работы разного транспорта и сельскохозяйственного оборудования; — оценка объемов, сложности и стоимости земляных работ при строительстве; — как фактор твердого и жидкого стока, эрозионной опасности при сельскохозяйственном освоении территории; — уклоны как фактор влияющий на рекреационное освоение территорий.

Перемещение твердого материала со стоком (смыв) на обнаженной поверхности с пылеватыми почвогрунтами начинается уже при уклонах более 2 градусов. Необходимыми предпосылками для делювиального смыва в данном случае являются: интенсивность ливня более 0,2 мм/сек. и скорости стекания более 300 мм/сек. Интенсивность смыва мелкозема при этом меняется в зависимости от сочетания природных факторов от 0,06 мм/год до 3 мм/год. Солифлюкция — смещения переувлажненного пластичного грунта, в зоне многолетней мерзлоты, наблюдается уже при уклонах 2 - 3 градуса. Скорость солифлюкционного смещения грунта при малых уклонах составляет 3 - 30 см/год, а при их увеличении измеряется уже в м/год.

Широко распространены оценки земель по уклонам, в связи с эрозионной опасностью, возможностями работы транспорта и строительства, для разных видов их освоения (таблица 3. 4., 3. 5.). Однако для сельского хозяйства важно знать не только уклоны, но и вариации их по направлениям. Это влияет на условия перезимовки культур и эрозию.

Таблица 3. 4. Классификация территорий по уклонам поверхности и целесообразности хозяйственного использования.

Ограничения в работе транспорта из-за уклонов могут быть связаны с технологическими особенностями обработки земель, техническими возможностями машин, стоимостью работ. Так при уклонах 6 и более градусов, во избежании сильной эрозии почв, целесообразна поперечная вспашка, а при уклонах более 15 градусов поперечная вспашка сильно затруднена из-за технических возможностей машин. При увеличении уклонов на 1 градус производительность машин снижается в среднем на 2%, но увеличивается расход горючего.

Влияние рельефа на строительство зданий и дорог имеет три аспекта, а именно: связь уклонов и расчлененности территорий с объемами земляных работ; влияние уклонов на планировку инженерных сооружений; влияние уклонов на эксплуатационные характеристики дорог и транспорта.

Таблица 3. 5.

Влияние уклонов на строительство промышленных сооружений, поселений и автодорог

( 1⁰ = 1,78% )

Расчлененность территории — еще одна из важных, с инженерной точки зрения, ее характеристик. Эта инженерная характеристика используется при хозяйственном освоении значительных территорий (транспортном, градостроительном, сельскохозяйственном и др.). При этом фиксируются два параметра расчлененности территории — густота и глубина (горизонтальное и вертикальное расчленения).

Превышение водоразделов над базисом эрозии в пределах заданного бассейна обычно служит показателем величины вертикального расчленения территории. Он расчитывается по формуле: h = Hв - Hб, где h - превышение (глубина), Hв - наибольшая абсолютная высота водораздела, Hб - наименьшая абсолютная высота в пределах изучаемого бассейна.

Для характеристики горизонтального (густоты) расчленения можно использовать, во-первых, удельный показатель суммарной длины форм эрозионной сети на единицу площади; во-вторых, среднее расстояние между соседними тальвегами или понижениями, в пределах заданных территорий и определенных типов рельефа.

При сильной расчлененности территории по глубине и густоте расчленения объемы планировочных земляных работ по нивелированию (планировке) рельефа оказываются столь велики, что из-за экономических соображений проектируемые инженерные сооружения лучше перенести на другие территории. Ориентировочную сравнительную оценку объемов земляных работ по нивелировке территории для двух или более альтернативных площадок можно дать, исходя из элементарных подсчетов объемов земляной массы, которую придется переместить. Для этого на намеченных под строительство территориях по профилям, совпадающим с альтернативными площадками, исходя из глубины и густоты расчленения рельефа, расчитывают коэффициенты земляных работ по формуле: V = 1/2 Sh,

где S - среднее расстояние между двумя точками перегибов рельефа (водоразделами или тальвегами на профиле), h - средняя глубина расчленения.

Прикладные карты расчлененности территории, характеризующие сложность строительства и других видов ее хозяйственного использования, могут составляться по крупномасштабным топокартам (Табл. 3. 3.).