Суффозионные и карстовые процессы

При фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их  частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, провалов, воронок. (Этот процесс выноса, а не его последствия, называют суффозией. различают два вида суффозии — механическую и химическую. При механической фильтрующаяся вода отрывает от породы и выносит целые частицы (глинистые, пылеватые, песчаные); при химической вода растворяет частицы породы (гипс, карбонаты) и выносит продукты разрушения.

При одновременном действии этих двух видов суффозии иногда, применяют термин —химико-механическая суффозия может быть в лессовых породах, где растворяется карбонатное  тирующее вещество и одновременно выносятся глинистые частицы.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамическое давления и превышение величины некоторой критической скорости воды. Это вызывает отрыв и вынос частиц-во взвешенном состоянии Взвешивание частиц происходит при критическом напоре, который можно определить по формуле

кр = (А—0(1—и) + 0,5л,

где А—плотность породы (песка); л—пористость породы, доли единицы.

Гидродинамическое давление, г/см3, действующее по касательной к депрессионной кривой дренируемого потока, определяют по формуле

где Ао=1—плотность воды; п—пористость, доли единицы; /—| гидравлический уклон (градиент).

Суффозия наиболее свойственна гранулометрически неоднород­ным породам. Процесс механической суффозии в разнозернистом  песке происходит следующим образом. Песок состоит из -частиц различного размера — больших и малых. Большие частицы создают струк­турный каркас породы. Поры достаточно велики и через них под действием фильтрующейся воды свободно проходят мелкие частицы (глинистые, пылеватые). Суффозия в таких песках возникает с момента появления критического напора  > 5.

Суффозия может происходить в глубине массива пород или вблизи поверхности земли.

В глубине массива перенос мелких частиц осуществляется водой из I одних пластов в другие или в пределах одного слоя. Это приводит к I изменению состава пород и образованию подземных каналов. В глу­бине массива суффозия может возникать также на контакте тух. слоев, различных по составу и пористости. При этом мелкие частицы одной породы потоком воды переносятся в поры другой породы. При суффозии на контакте между слоями иногда формируются, своеобразные прослои или вымываются пустоты. Это можно наблюдать на контакте глинистых и песчаных слоев, когда соотношение коэффициентов фильтрации этих пород больше 2. Характерными являются пустоты лессовых пород, в частности, на контакте с подстилающими их кавернозными известняками-ракушечниками. Размер пустот иногда достигает нескольких метров, пещеры например,  на [долины р. Темер-Ростов-на-Дону ).

Следует отметить, что породах суффозия  развивается не  на контактах, толщах, образуя так называемый «глиняный, или лессовый, карст», к пустот начинается с ходов землемеров при условии возник в них турбулентных завихрений фильтрующей воды. Порода и образуются пустоты размыва.

механическая, так и химическая суффозия активно проявлений  вблизи поверхности земли при естественном или искусственном-изменении гидродинамических условий — формировании депрессии, колебаниях уровня подземных и поверхностных сачках, дренировании. Суффозионные процессы часто возникают на -склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод или сбросе лишних вод, выхода на поверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях, вблизи  строительных выемок, суффозионный вынос частиц к оседанию поверхности, образованию провалов, воронок, 1ей. Например, в районе Волгограда многие оползни связаны выносом песка грунтовыми водами.

На орошаемых территориях с дельт Терека и Сулака (Прикаспий) за счет инфильтрации воды спада ее скоростей, на границе супесчано-суглинистых отложений сложенных -аллювиальными трещиноватыми глинами образуются, разрушается оросительная сеть, магистральный канал, суффозия может проходить длительное время и не только карбонаты и другие сравнительно легко раствор-вещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород суффозия переходит в карстовый процесс, исследовании пород, в которых наблюдается или возможна я воды, необходимо выявлять их способность к суффозии, учитывать, что при малом гидродинамическом давлении в породах может происходить только фильтрация воды, при повышении  давления начинается суффозия. Для выявления этих свойств определяют критические градиенты и давление воды, при которых начинаете, процесс суффозии. Эту работу проводят в лабораторных и полевых  условиях.

При проектировании объектов необходимо установить возможность проявления суффозионной осадки, определять величину и характер, протекания суффозионной осадки. При этом следует определять всю суммарную величину вертикальной деформации засоленного основания, которая складывается из осадки, вызванной уплотнение грунтов от нагрузки объектов и суффозионной осадки.

При прогнозе величины суффозионной осадки следует учитывать:

• в глинистых грунтах с содержанием глинистых частиц более 40^% осадка практически не проявляется;
• наибольшая осадка наблюдается при высокой засоленности большой пористости грунтов;
• величина и характер протекания осадки во времени во многом зависят от химического состава фильтрующейся в грунте воды.

Величина суффозионной осадки определяется по результатам по­левых испытаний засоленных грунтов статической нагрузкой (штам­пом) после длительного замачивания.

Строительство на суффозионных грунтах имеет свои трудности и осуществляется по своим строительным нормам и правилам. При возведении объектов используются различные приемы строительства:

• прорезка фундаментами зданий слоя суффозионного грунта;
• водозащита оснований от проникновения в них атмосферных и технических вод;
• прекращение фильтрации подземной воды устройством дренажей и непроницаемых завес;
• отсыпка на основании грунтовых подушек из песка или суглинков;
• расселение и уплотнение грунтового основания;
• искусственное закрепление массива грунта методами технической мелиорации (кроме крупнообломочных грунтов, обладающих высокой фильтрационной способностью).

Выбор того или иного приема строительства зависит от геологиче­ского строения и гидрогеологической обстановки строительной площадки, типа и вида грунтов оснований, характера засоления, конструкции объекта и технических возможностей строительной организации.

Суффозионные явления отрицательно сказываются на устойчиво­сти зданий и сооружений. С суффозией следует активно бороться. Основой всех мероприятий является прекращение фильтрации воды. Это достигается различными путями: регулированием поверхностного стока атмосферных вод и гидроизоляцией поверхности земли; дом места выхода подземных вод тампонированием -Леска; устройством дренажей для осушения пород или скорости   фильтрации   воды;   упрочнением  ослабленных _’3ией пород методами силикатизации, цементации, глинизации,  особых видов фундаментов, например, свайных процессы. Это процессы горных пород (известняков, доломитов, гипсов) подземными и атмосферными видами и образования в них различных пустот.

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

В России карст имеет широкое распространение в районах запад-Предуралья (закрытый гипсовый и известняковый карст), на кой равнине (закрытый известняковый карст), в Приангарье и во многих других местах Сибири, Кавказа и дальнего Востока.

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

Из всех пород наиболее растворимыми водой являются соли, гипсы,  и известняки.

Для растворения одной части каменной соли : достаточно трех частей воды, а для гипса нужно уже 480 частей воды. Труднее всего растворяются известняки. В зависимостиот содержания в воде СО₃ и от температуры для растворения части минерала кальцита, из которого они обычно слагаются требуется от 1000 до 30 000 частей воды. Аналогичным образом растворяются доломит и магнезит.

Причины различной растворимости минералов зависят от энергии кристаллических решеток. Чем больше эта энергия, тем труднее растворяется минерал. Кроме того, растворимость породы зависит от  крупности составляющих ее частиц. Мелкие зерна при всех прочих равных условиях растворяются быстрее.

Одним из главных факторов карстообразования является действие воды — атмосферной, речной, подземной, если она не обладает 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. Зависимость растворимости кальцита от температур видно из следующего примера:

Температура, °С ……….’………….-        25     50    100

Растворимость, мг/л ………………….    14,   315, 4 17,

Очень важным условием 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.

Поднятие или опускание карстового массива, вследствие движений земной коры, вызывает изменение положения базиса коррозии. Карстовый процесс при этом либо усиливается, либо ослабевает.

Ниже уровня подземных вод, если они достаточно минерализованы и поток их движется медленно, карстообразование не происходит. В этой части массива наблюдается цементация трещин за счет выпадения из водного раствора кальцита и других веществ. В связи с этим в карстующемся массиве следует различать зону карстообразования и зону цементации.

Интенсивность карстообразования определяется толщиной слоя карстующихся пород. При малой толщине исключается возможность возникновения больших пустот.

 

Большое влияние на развитие карста оказывает климат  и  характер распределения осадков по сезонам года, режим верхних слоев земной коры.

Так, установлено, что до 50 % карбонатных солей выносится водами в весенний период. Зимой их вынос составляет всего лишь несколько процентов количества. При рельефе, который не обеспечивает стока, роль атмосферных вод значительно возрастает растительности на развитие карста двоякое. С одной лесная подстилка и гумус обогащают воду свободной СО₂ и ее растворяющую деятельность, с другой стороны, элювий, формирующийся на покрытых растительностью уменьшает    инфильтрацию    и    размывающую    силу вод. Уничтожение леса и дернового покрова всегда развитию поверхностных карстовых форм. В процессе выщелачивания в карстующихся породах различные по своему положению и форме пустоты, или вые формы.

По отношению к земной поверхности различают два типа карста: открытый и скрытый. При открытом типе карстующиеся породы лежат на поверхности земли, а при скрытом они скрыты слоями нерастворимых водопроницаемых пород и лежат на большой глубине. Примером открытого карста могут быть районы складчатых гор (Кавказ и др.). Скрытые карсты распространены  на Русской равнине.

В массиве карстующихся пород наблюдается обычно несколько пещер, связанных воедино ходами и трещинами, по которым циркулирует подземная вода. Пещерам свойственны озера и подземные реки.

Пещеры разнообразны по форме и размерам. Наиболее крупной среди известных является Мамонтова пещера в Северной Америке. Если все проходы и галереи этой пещеры вытянуть в одну линию, то их длина составит 240 км. Высота одного из залов достигает 40 м при размере в плане 163 х 87 м. Самой высокой среди известных пещерой в мире является Анакопийская пропасть в Новом Афоне (Кавказ). Один из ее залов имеет высоту более 70 м. Строительство в карстовых районах связано со значительными трудностями, так как карстующиеся породы являются ненадежным основанием.

Пустотность снижает прочность и устойчивость пород, как оснований зданий и сооружений. Развитие карстовых форм может вызвать недопустимые осадки или даже полное разрушение конструк­ций. Карстовый процесс особенно опасен для гидротехнических соо­ружений. Через карстовые пустоты возможны утечки воды из водохранилищ, каналов. 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, устройст­вом системы ливнеотводов, покрытием, поверхности слоем глины, выполняющей роль гидроизоляции. Фильтрация подземных  пресекается сооружением дренажных систем карстующиеся породы и одновременно предотвращать  них воды, что может быть достигнуто нагнетанием в трещины и пустоты жидкого стекла, цементного или глинистого раствора,  битума.