Горные породы и минералы

Окисление наиболее активно проявляется в тех минералах, которые содержат закисные соединения железа, марганца и других металлов. Например, в кислой среде происходит последовательное замещение сульфидов сульфатами, а затем окислами и гидроокислами.

Гидратация заключается в образовании новых минералов за счет присоединения воды к исходным минералам. Это может проявляться при переходе ангидрита в гипс или гематита в лимонит.

Растворение интенсивнее всего идет в осадочных породах хлоридного, сульфатного и карбонатного состава. Легче всего растворяются хлориды, затем сульфаты. Но наибольшим распространением в составе земной коры отличаются карбонатные породы, растворение которых привело к широкому развитию карстовых форм.

Интенсивность выветривания зависит от состава и исходной трещиноватости пород, в результате чего выветривание может носить избирательный характер, что ведет к первоочередному разрушению неустойчивых блоков и контрастному выделению в рельефе устойчивых массивов горных пород.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений (рис. 98). Породы дробятся и в значительной мере подвергаются воздействию органических кислот. 
 
Механическое разрушение производят растения своей корневой системой. Корни деревьев способны расщеплять даже прочные скальные породы. Известны случаи, когда растение «верблюжья колючка» прорастало сквозь 20-сантиметровые железобетонные плиты. Корни травянистой растительности легко преодолевают слой асфальта на улицах города. 
 
Многие живые организмы, особенно из числа землероев, активно разрушают горные породы. В коре выветривания они создают многочисленные ходы, пустоты, просверливают даже твердые породы. На выветривание горных пород большое влияние оказывают многочисленные бактерии. В процессе своей жизнедеятельности они поглощают одни вещества и выделяют другие. Их воздействие особенно сильно сказывается в зоне почв и на границе с подстилающими грунтами. Отдельные виды бактерий извлекают углерод из карбонатов, разрушают силикаты, создают скопление железных руд и т. д.

Процессы выветривания влияют на инженерно-геологические свойства горных пород. Выветривание как геологический процесс приводит к разрушению и преобразованию первичных пород. С инженерно-геологической точки зрения основная направленность процесса выветривания состоит в изменении физического состояния и физико-механических свойств горных пород, что приводит к снижению устойчивости пород в основании сооружений, естественных и искусственных откосах, подземных выработках и т. д. Процессы выветривания могут настолько изменить свойства пород и инженерно-геологические условия строительной площадки, что строить здания и сооружения без специальных мероприятий не представляется возможным.

Борьба с процессом выветривания. При выборе основания для зданий и сооружений кору выветривания прорезают фундаментом до невыветрелой породы, либо используют ее как несущее основание, если элювий имеет достаточную прочность или укреплен после соответствующей обработки способами технической мелиорации. Крутизну откосов выемок назначают с учетом прочности пород коры выветривания. 
 
Процесс выветривания необходимо учитывать также на период эксплуатации зданий и сооружений. Порода и строительные материалы, не защищенные от агентов выветривания, постепенно будут разрушаться, снижая устойчивость и прочность зданий и сооружений. 
 
Для предотвращения выветривания или улучшения свойств уже выветрелых пород применяют различные мероприятия:

• покрытие горных пород непроницаемыми для агентов выветривания материалами;
• пропитывание пород различными веществами;
• нейтрализацию агентов выветривания;
• планировку территорий и отвод вод.

 
Выбор мероприятий по борьбе с выветриванием зависит от степени выветрелости пород, характера выветрелости, конструктивных особенностей сооружения и т. д. 
 
Создание защитных покрытий на поверхности горных пород с помощью различных материалов — гудрона, бетона, цементного раствора, глины — зависит от преобладающих факторов выветривания. 
 
Например, гудрон, цемент и другие искусственные покрытия предохраняют породы от проникновения воды, но не защищают от влияния колебания температур. Хорошим изолирующим материалом является глина. Уложенная слоем, мощность которого равна глубине проникновения суточных колебаний температур, она становится хорошим водонепроницаемым покрытием, а сама мало изменяется под воздействием выветривания. Широко применяют гидроизоляцию котлованов, если они должны находиться в открытом состоянии какое-то время. В ряде случаев дно котлованов специально не доводят до проектной отметки. Выветрившийся слой снимают непосредственно перед началом укладки фундамента. 
    Пропитывать породы можно жидким стеклом, гудроном, цементом. Жидкое стекло используют для укрепления песчаных и песчано-глинистых пород. 1удрон дает лучшие результаты в щебенистых отложениях. Цементом можно хорошо скреплять трещины в скальных породах. Пески можно пропитывать глинистой суспензией, что приводит к снижению водопроницаемости. 
 
Нейтрализацию агентов выветривания из-за практических неудобств и дороговизны применяют сравнительно редко. Таким методом, например, является насыщение фильтрующейся воды солями, которые она может растворять в данной породе. Такая вода уже теряет способность растворять такие соли. Действие подземных вод можно нейтрализовать дренажами. Поверхностные воды отводят различного рода ливнестоками, нагорными канавами. 
 
Строительные материалы и изделия необходимо изолировать от влияния агентов выветривания различными покрытиями — красками, лаками, штукатуркой, «жидким стеклом, органическими пленками и т. д. В строительстве следует использовать породы наиболее устойчивые к выветриванию.

Задание 8. 
 
Охарактеризовать методы инженерно-геологических и гидрологических исследований: штамповые и прессиометрические испытания. Описание должно быть кратким и сопровождаться рисунками. 
 

                                         Штамповые испытания

Очень часто после окончания строительства здания (сооружения) и со временем его некоторой эксплуатации возникают довольно неприятные процессы: усадка фундамента со всеми вытекающими отсюда последствиями. Это говорит о том, что предварительно перед началом разработки проекта конструкции на данном участке не проводились инженерно-геологические изыскания. Поскольку данные по исследованию грунта и особенностей поведения подземных вод могут существенно повлиять на техническую часть проекта строительства. В основном, песчанистые и глинистые грунты под воздействием на них тяжести сооружения (дома) имеют свойство к уплотнению. Для того, чтобы заранее можно было определить склонны ли исследуемые грунты к уплотнению и проводят  испытание вертикальными статическими нагрузками — штампом.

Цель и результаты данного испытания

Несущая способность грунтов в полевых условиях наиболее точно определяется именно таким видом испытаний. Деформация грунта бывает двух видов:

Упругая деформация: имеет свойство восстанавливаться после снятия нагрузки;

Остаточная деформация.

Испытание вертикальными статическими нагрузками — штампом приносят также следующие результаты: относительную просадочность грунтов, начальную их просадочность и модуль деформации. Также следует отметить, что показатели модуля деформации, полученные в полевых условиях при помощи штампа, гораздо выше оцениваются по точности, чем полученные в лаборатории. Для разных типов грунтов существует свой комплекс статических испытаний штампом: так, например, для лессов главным в исследовании является определение начального просадочного давления, а для просадочных грунтов – определение относительной просадочности. Геологические изыскания позволяют точно определить тип грунта на том или ином участке.

Суть испытания штампом

Испытание вертикальными статическими нагрузками — штампом заключается в  искусственном моделировании процесса уплотнения грунта (достаточно в большом объеме) под давлением нагрузки на него, которую можно сопоставить с нагрузкой будущего проектируемого здания. Зачастую такому испытанию следует обязательно подвергать крупнообломочные, глинистые и песчаные породы, которые склонны к усадке.

Для этого из предварительно пробуренной скважины берут пробы грунта и определяют их физико-механические характеристики в условиях лаборатории. Обязательным также является определение водоносного горизонта. Для уточнения выбора места испытания необходимо знать точную ширину и глубину заложения фундамента будущего строения. Данные исследования влияют на выбор штампа и на место проведения вертикального статического испытания. От характеристики грунта в разрезе скважины зависит и количество слоев, которые будут подвергаться испытанию.

Испытание вертикальными статическими нагрузками — штампом выполняется в шурфах с min сечением 1,5 Х 1,5 метра. Также при данном испытании следует учитывать уровень грунтовых вод: если он находится выше предполагаемой точки испытания штампом, тогда опыт выполняется в скважине. 

Описываемый вид испытания считается довольно трудоемким и в некоторых случаях может занять целый день или даже несколько дней для повторного исследования (в виде технических причин). На количество данных испытаний также влияет и уникальность будущего строительного объекта, его технические особенности, неоднородность инженерно-геологического разрез. Не смотря на то, что данный метод полевых исследований грунтов является очень сложным и ответственным, требующим определенных навыков и применения дорогостоящего спецоборудования, Он (метод исследований) позволяет добиться наиболее достоверных значений модуля деформации грунта.

Прессиометрические испытания.

Это один из современных и уже довольно широко применяемых методов изучения деформационных свойств горных пород. Сущность его та же, что и метода испытания горных пород пробными статическими нагрузками. Она состоит в исследовании изменений деформации горных пород, слагающих стенки скважин, при воздействии на них возрастающих ступеней нагрузки.

Прессиометрия — испытание грунтов пробными статическими нагрузками в скважине с помощью прессиометра. При таких испытаниях изучают деформируемость любых грунтов, но, главным образом, глинистых и песчаных. Измеряя величину деформации при каждой ступени нагрузки, вычисляют значение модуля деформации грунта. По результатам составляется  график зависимости деформаций пород от действующей нагрузки при прессиометрических испытаниях.

       Переставляя прессиометр вдоль оси скважины, можно определить деформационные свойства грунтов, залегающих на разной глубине. Прессиометрия позволяет оценить сжимаемость грунтов в направлении, перпендикулярном приложению нагрузки от большинства сооружений, что допустимо для изотропных грунтов.

Прессиометр — прибор для определения деформативных свойств фунтов, залегающих в стенках скважин, представляет собой камеру-цилиндр с эластичными стенками, в которую ступенями нагнетают жидкость (гидравлический прессиометр) или воздух (пневматический прессиометр), измеряя при этом деформации стенок скважины.  

Прессиометрические испытания имеют много преимуществ:

1. с их помощью можно изучать широкий диапазон грунтов;
2. испытания можно проводить в скважинах на глубинах до 50 м;
3. возможно проводить измерения модуля деформации в любом направлении;
4. испытания проводятся быстро, продолжительность одного эксперимента обычно составляет 30 минут;
5. при проведении опыта не нужно бурить инженерно-геологические скважины большого диаметра;
6. оборудование для проведения опытов достаточно компактное;
7. стоимость опыта меньше, по сравнению со штамповыми испытаниями.