Основы общей и инженерной геологии. Лекции

2. Выветривание (физическое, химическое, биологическое).

   Процессы  внешней динамики Земли (экзогенные геологические процессы) идут на поверхности Земли. Их источником и движущей силой является Солнце (внешний источник). К экзогенным процессам относятся: выветривание, геологическая деятельность ветра, поверхностных и атмосферных вод, ледников, морей, океанов, рек, ледников, подземных вод. Эти процессы не менее грандиозны и не менее опасны для инженерных сооружений (ураганы, бури, оползни, паводковые разливы рек, подтопление территорий и мн. др.). Процессы внешней динамики повсеместны, часто носят скрытый характер, но их действие и результаты в планетарном масштабе очень большие. Эти процессы сметают горы с лика Земли, переносят миллионы км³ горных пород и воды.

   Выветриванием называются процессы разрушения и изменения состава горных пород, происходящие под воздействием воздуха, воды, льда, колебаний температуры, жизнедеятельности живых организмов. Выветриванию подвергаются не только природные горные породы и минералы, но и искусственные строительные материалы – стены и фундаменты зданий, подземные и наземные строительные конструкции, коммуникации, трубопроводы и т. д. (пример, Египетские пирамиды).

   Наиболее активно процессы выветривания наблюдаются в верхней части земной коры, на контакте с атмосферой. Атмосфера – это не только газы, но и атмосферная влага в виде дождя, снега, льда, и колебания температуры. С глубиной интенсивность выветривания ослабевает. Глубина воздействия поверхностных агентов зависит от состава и строения пород. В плотных скальных породах процесс выветривания идет лишь с поверхности, в пористых и трещиноватых грунтах глубина выветривания больше, до 5-10 м. Инженерная деятельность человека способствует проникновению агентов выветривания в толщу пород (отрывка котлованов, проходка тоннелей, шахт). Процессы выветривания дробят и разрушают горные породы, изменяют их химико-минералогический состав, ухудшают строительные свойства грунтов. Первичная монолитная порода превращается в рыхлое образование. Продукты выветривания горных пород называются элювием, или корой выветривания.

   В зависимости от характера агентов выветривания выделяют: физическое (механическое), химическое и биологическое (органическое, выветривание.

   Физическое выветривание – это механическое разрушение (распад) горных пород без изменения их минералогического состава. Его агентами (действующими факторами, главными причинами) являются: резкие изменения температуры, механическое действие замерзающей воды, механическая сила ветра, в том числе с ударами песчинок, переносимых ветром, кристаллизация солей в капиллярах, давление растущих корней растений. В результате этих воздействий монолитная порода превращается в рыхлую массу обломков, глыб, щебень, гравий, песок, т.е. в сыпучий материал. Термическое выветривание связано с неодинаковым температурным расширением различных минералов. Например, гранит состоит из кварца, полевого шпата  и слюды, которые имеют: α_кв=1,4·10^-4см/10 см > α_п.шп. = 0,8·10^-4см/10см, т.е. различие почти в 2 раза. Оно усиливается и тем, что темные минералы - роговая обманка, биотит, авгит и другие нагреваются сильнее. В результате различного температурного расширения в породе возникают внутренние напряжения, которые ослабляют связи в первую очередь на границе зерен. Поэтому крупнозернистые породы разрушаются быстрее мелкозернистых. Даже в однородной (мономинеральной) породе из-за разного нагрева поверхности и внутри массива возникает градиент температур и внутренние температурные напряжения. Сохранению температур и напряжений способствует низкая теплопроводность минералов. Суточные колебания температур изо дня в день расшатывают зерна минералов в монолитной породе, в результате порода превращается в «рухляк».

   Замерзание  воды при переходе ее в лед происходит с увеличением объема на 10 % и повышением давления в замкнутом объеме до Р=2400 кгс/см² (чугунная бомба разрывается при замерзании воды). Процесс разрушения горных пород замерзающей водой (льдом) называется «морозным выветриванием».

   Следует отметить роль корней деревьев, кустарников и даже травянистой растительности. Верблюжья колючка протыкает ж/б плиту толщиной 20 см. Часто наблюдается разрушение асфальта корнями растений отмосток, от целостности которых зависит долговечность зданий, особенно на просадочных и набухающих грунтах. Корни деревьев часто разрушают фундаменты легких зданий. Но строители часто преувеличивают опасность корней для зданий. Так например, ошибочно в 1982 году была уничтожена высокая ель на даче-музее Ф.И.Шаляпина в г. Кисловодске, посаженная великим певцом в 1902 г.

   Деформации  соборов Московского Кремля и многих зданий в центре Москвы также связаны с выветриванием - гниением деревянных свай под фундаментами. С другой стороны, набухание деревянных клиньев использовали древние египтяне для отрыва больших блоков от массива песчаников и известняков. Для этого забивали сухие деревянные клинья в трещины и затем их поливали водой.

   Увлажнение и высыхание горных пород даже при положительных температурах также вызывает их разрушение. Например, мергели-трескуны в свежих котлованах превращаются в мелкие обломки (КМВ, Железноводск).

   К физическому (механическому) выветриванию относится и воздействие ветра, особенно с песком, который как наждак обрабатывает поверхность откосов, выступы горных пород, а заодно и стены домов.

   Районы интенсивного физического выветривания – области с резко континентальным климатом, где большой перепад суточных и сезонных температур. Это – холодные северные районы (Якутия, Бурятия) и жаркие пустыни и полупустыни (восточные районы Ставрополья, Калмыкия). Механизм выветривания в этих областях различный: в холодных районах большую роль играет замерзание воды, а в жарких – колебание температуры.

    Химическое  выветривание протекает в виде реакций с водой и растворенными в ней веществами. Вода в природе никогда не бывает химически чистой и всегда содержит растворенные вещества: О, СО₂, органические кислоты, соли – хлориды, сульфаты, нитраты. Вода – универсальный растворитель, т.к. у нее самая большая диэлектрическая постоянная.

    Различают следующие процессы химического выветривания: растворение солей; гидратацию, т.е. присоединение воды, часто с увеличением объема (переход ангидрита в гипс сопровождается увеличение объема до 50-60 %); окисление (наиболее интенсивно идет выше уровня грунтовых вод, т.е. в зоне аэрации. Окислению подвергаются сульфиды, силикаты, органические соединения и др.)

    По  устойчивости к выветриванию различают три типа минералов: высокоустойчивые (кварц, мусковит, лимонит, корунд), среднеустойчивые (ортоклаз, биотит, апатит), неустойчивые (плагиоклаз, пирит, роговая обманка, кальцит).

    Скорость  химического выветривания зависит от климата. Чем выше температура и влажность, тем интенсивнее выветривание. Из химии известно, что скорость химических реакций при повышении температуры на 10⁰С  увеличивается в 2-2,5 раза.

         Биологическое (органическое) выветривание протекает под воздействием живых организмов – микроорганизмов (микробов) и макроорганизмов (черви, жуки, личинки, кроты, суслики), включая растения – высшие и низшие (лишайники, мхи, древесная растительность). Микроорганизмы имеют на Земле исключительное распространение. Нет участков суши, где бы не было микробов – вершины гор, глубокие океанические впадины, Арктические области, пески Сахары … всюду в 1 г горной породы можно найти тысячи микробов, а в 1 г почвы > млрд. микробов. Микробы – пионеры жизни. Они живут и осваивают целинные «безжизненные» пространства. За ними идут простейшие – водоросли, лишайники, инфузории, и уже потом – высшие растения. Микробы, как и все живые организмы, поглощают и выделяют вещества, участвуют в разложении крепких пород (например, полевых шпатов). Лишайники и мхи выделяют органические кислоты, которые растворяют камни. Дождевой червь за сутки перерабатывает кг земли. Дарвин посчитал, что почвенный слой не раз прошел через тело дождевых червей. Корни растений выделяют вещества кислого и щелочного состава.

   В природе химическое и биологическое выветривание идут вместе, Это называют биохимическим выветриванием. Наиболее ярким примером биохимического выветривания являются почвы. Этот тонкий (0,2-2,0 м) слой на поверхности Земли обеспечивает жизнь растительному и животному миру и человеку.

   Оценка  выветривания по СНиП и борьба с выветриванием. Оценка выветривания скальных грунтов производится по К_выв= _{d выв породы}/ _{d невыв породы}. В невыветрелых породах К_выв=1,0. Слабовыветрелые скальные грунты имеют К_выв>0,9, выветрелые – К_выв=0,8-0,9, сильновыветрелые (рухляки) – К_выв<0,8.

   Для нескальных (например, глинистых) пород  в геологическом разрезе всегда можно выделить более слабую зону (кору) выветривания по ожелезнению, трещиноватости, комковатой структуре и дать физические и физико-механические характеристики грунта отдельно для выветрелой и невыветрелой части слоя.

   Борьба  с выветриванием производится на стадии строительства и эксплуатации объекта. При проектировании фундаментов надо точно определить зону слабых выветрелых грунтов. Фундаменты надо ставить на прочные, невыветрелые грунты. Распространенная ошибка изыскателей включать в один слой (ИГЭ) разрушенную (выветрелую) часть массива и коренную породу, а также не предупреждать в отчетах по изысканиям проектировщика и строителя о легко выветриваемых грунтах, чувствительных к поверхностным агентам (набуханию при замачивании, морозному пучению при промерзании и т.д.). У нас плотные коренные сарматские и майкопские  морские глины становятся рыхлыми, слабыми, а на склонах, где глубина выветривания простирается до 10-15 м,  в этих глинах развиваются оползни. Основная борьба должна вестись с главным агентом выветривания – водой. Для этого возможны следующие мероприятия:

   1) планировка территории для отвода атмосферно-ливневых вод;

   2) дренажи для отвода грунтовых вод;

   3) гидроизоляция грунтов и подземных строительных конструкций различными изолирующими материалами (гудрон, цемент и пр.). Но лучшим материалом во многих случаях может быть обычный местный суглинок. Из него можно выполнить водонепроницаемое покрытие-экран, вертикальную противофильтрационную завесу (ПФЗ), «глиняный замок». Пески можно пропитать глинистой суспензией (такую глинизацию песков выполнили при строительстве Каракумского канала);

   4) недобор грунта до проектной отметки фундаментов, оставшийся «защитный» слой снимают непосредственно перед устройством фундамента. Это особенно важно, если котлованы оставляют на зиму, т.к. верхний слой грунта промерзает, распучивается, набухает, т.е. выветривается, теряет прочность.

    Агрессивное  воздействие грунтовых вод и грунтов (выше УГВ в зоне аэрации) на фундаменты и подземные коммуникации исключают (нейтрализуют) применением сульфатостойких цементов и гидроизоляцией их поверхностей.  

3. Геологическая деятельность ветра. Эоловые отложения.

      Ветром  называется движение воздуха в горизонтальном направлении вследствие разности атмосферного давления, которая возникает от неравномерного нагревания воздуха. Ветер – это могучая, чрезвычайно распространенная планетарная сила. Скорость ветра, характеризующая его энергию, достигает 50-60 м/сек, или 200 км/час. При ураганах скорость достигает 650 км/ч, а в смерчах – до 1200 км/ч, т.е. превышает звуковую (331,8 м/с=1194 км/ч).

      Энергию ветра характеризуют следующие факты: при 18-20 м/с ветер срывает черепицу, вырывает деревья, срывает кирпичи с дымовых труб. Энергия среднего урагана равна 500000 атомных бомб Нагасаки. Ветер со скоростью 40 м/с оказывает давление Р=100 кгс/м², при скорости 80 м/с – Р=400 кгс/м², при V=120 м/с – Р=1т/м². При таких ветровых нагрузках разрушается большинство зданий. Число жертв от ураганов, бурей, смерчей достигает тысяч и десятков тысяч человек. Великий ураган в США в 1780 году унес 20 тыс. жизней. Тайфун во Вьетнаме (1881 г.) убил 300 тыс. чел. Огромный материальный ущерб от ураганов (до 2 млрд. долларов).

       Смерч страшнее землетрясения.  При землетрясении на месте остаются развалины зданий, сохраняются сады, деревья. Смерч может унести все, оставив только очень прочные здания. Смерч может поднять железный подвесной мост весом Р=108т, пассажирский вагон весом 65 т со 117 пассажирами (всего 72 т),  перенести на 25 м автомашину с 4-мя пассажирами - на 300 м, церковь с 50 молящимися – на 4 м, животных (лошадь) - на сотни м, людей – на 3-4 км и даже 11 км. В 1940 г. смерч в Москве перенес без ушибов Петю Селезнева из Мытищей в Сокольники. Известны дожди с разными предметами. 17 июня 1940 года в деревне Мещеры Горьковской области из тучи выпало около 1 тысячи серебряных монет 16 века. Их механика переноса не ясна.

   Геологическая деятельность эоловых процессов.

     Эол – бог ветра в древней Греции. Разрушительная и созидательная деятельность эоловых процессов на примере пыльных бурь. Пыльная буря – это песчано-пылевый поток шириной до 300-500 км со скоростью V=60 км/ч, который в сотни тысяч (!) раз переносит больше обломочного материала, чем река шириной 2-3 км при V=5-10 км/час. В пыльной буре по поверхности земли и выше (до 1-2 м) движется щебень и грубый песок.

   Пыльная буря зимой-весной 1969 г. на Северном Кавказе дала заносы пыли со снегом до 3-4 м. Выдувание (дефляция) создает котловины выдувания. Б.А.Федорович описал котловину в Казахстане длиной до 145 км, шириной 2-10 км и глубиной от 100 до 142 м. Считается, что впадины, занятые пустынями, созданы ветром. В открытых пустынях остается только песок и реже галька. Весь пылеватый и глинистый материал уносится пыльными бурями за сотни и тысячи км. Подсчитали, что только одна буря 1960 года в Предкавказье вынесла 20-25 км³ пыли. Это горная гряда длиной 25 км, шириной 2 км и высотой 1 км. Наша Сенгилеевская котловина, возможно, эолового происхождения. Долина р. Ташлы также очень велика для такой малой реки. Возможно, ветер унес  материал из нее. Образование и перенос пыли в природе – это громаднейший, непрерывный, формирующий процесс, переворачивающий внешнюю часть земной коры, наполняющий океаны и моря и сглаживающий горы. Наша пыль достигала и сейчас засыпает Атлантический океан.