Отчет о геологической практике в Западной Сибири

Химическое  выветривание выражается в разрушении горных пород путем растворения и изменения их состава. Наиболее активными химическими реагентами в этом процессе являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты.

В породах кроме растворения протекают реакции обмена, замещения, окисления; гидратация и дегидратация. Одновременно с разрушением первичных минералов, например полевых шпатов, в граните образуются новые, вторичные минералы. Так образуются многие растворимые (хлориды, карбонаты, сульфаты) и нерастворимые минералы типа глинистых образований (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.).

Простейшим видом химического  выветривания является растворение в воде. Легко растворяются каменная соль, гипс. Разрушительное действие оказывает процесс гидрaтации. Примером может служить переход ангидрита в гипс CaSО₄ + 2H₂O = CaSО₄*.2Н₂О. Этот процесс сопровождается резким увеличением объема (до 50-60 %), что вызывает разрушительное давление гипса на окружающие породы. В присутствии воды происходит также окисление. Например, минерал пирит, который часто присутствует в различных породах, превращается в гидрат оксида железа с одновременным образованием серной кислоты, которая, в свою очередь, весьма разрушительно действует на многие минералы:

FeS₂ + 7О + Н₂О = FeSО₄ + H₂SО₄

6FeSО₄ + 3О + 3Н_зО = 2Fе(SО₄)₃ + 2 Fе(ОН)₃

При химическом выветривании значительное воздействие на породы оказывает вода, содержащая в своем  составе углекислоту. В результате этого полевые шпаты превращаются во вторичные образования глинистого состава:

К(AlSi₃О₈) + СО₂ + nH₂O →

                                                        полевой шпат

                           →Аl₄[ (Si₄O₁₀](OH)₈ + К₂СО_з + 4SiO₂ • nH₂O

                          каолинит

Интенсивность химического  выветривания зависит от площади воздействия воды и растворов, их температуры, а также степени устойчивости минералов в отношении агентов выветривания. Наиболее устойчивыми являются минералы кварц, мусковит, корунд; менее устойчивы - кальцит, доломит и др. Интенсивности химического выветривания способствует дробление пород в результате механического выветривания.

 Наибольшее значение  химическое выветривание имеет  в условиях теплого и влажного климата.

Биологическое (органическое) выветривание проявляется в разрушении горных пород в процессе жизнедеятельности живых организмов и растений. 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.

Растения и животные, особенно микроорганизмы (бактерии, микробы и др.) и низшие растения (водоросли, мхи, лишайники), выделяют различные кислоты и соли, которые, в свою очередь, весьма активно взаимодействуют с минералами горных пород, разрушают их, формируют минеральные новообразования.

Действие биологического выветривания повсеместно. Ему принадлежит ведyщая роль в образовании почв.

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.

Физико-механические свойства коры выветривания зависят от степени  выветрелости исходной породы, ее петрографо-минерального состава и структуры. Глубинные магматические породы, разрушаясь на поверхности земли, быстро теряют свою прочность и превращаются в так называемые рухляки, обладающие меньшей несущей способностью и большей деформативностью по сравнению даже с трещиноватой скалой. Рухляки кислых и средних магматических пород состоят в основном из кварца, одного из самых устойчивых минералов к процессам выветривания; рухляки основных и ультраосновных пород сложены из полевых шпатов - неустойчивых минералов, в коре выветривания превращающихся в глинистые продукты. Механические свойства этих рухляков ниже, чем рухляков кислых и средних пород.

При дальнейшем разрушении магматических пород образуются крупнообломочные элювиальные грунты, прочность и сжимаемость которых зависит от заполнителя и механической прочности самих обломков, т. е. от степени их выветрелости.

Крупнообломочные грунты элювия кислых пород, имея в качестве заполнителя песок, состоящий в основном из кварца и прочных обломков, обладают большей механической прочностью, чем подобные грунты коры выветривания основных и ультраосновных пород.

Характерной особенностью элювиальных глин является набухание, представляющее собой увеличение объема породы при увлажнении, и усадка - уменьшение объема при высыхании. Эти процессы значительно ухудшают условия эксплуатации зданий и сооружений.

Элювий метаморфических пород по своим физико-механическим показателям близок к коре выветривания основных и ультраосновных магматических пород.

Кора выветривания осадочных пород отличается своим cвoeобразием. Наибольшему разрушению подвергаются осадочные породы, образовавшиеся в условиях, отличных от тех, в которых действуют факторы выветривания. Породы химического и органогенного происхождения большей частью полностью растворяются в воде или быстро дробятся до частиц песчаных и глинистых размеров. В сцементированных породах в первую очередь разрушается природный цемент, песчаник снова превращается в песок, конгломерат - в гальку и гравий с песчаным или глинистым заполнителем (в зависимости от цемента).

Особый интерес представляет поведение глин в зоне выветривания. При выветривании глинистых пород происходит:

• раскрытие существующих и образование новых трещин;
• разрыхление, сопровождающееся возрастанием пористости;
•   появление новых минералов.

Эти процессы резко ухудшают физико-механические свойства глинистых пород, у них снижается сопротивление сдвигу и повышается сжимаемость.

Степень выветрелости пород и строительных материалов оценивается коэффициентом выветрелости kw - отношением плотности выветрелой к плотности невыветрелой породы (материала). Если kw = 1 - порода выветрелая, при kw = 1 ... 0,9 - слабовыветрелая, 0,9 ... 0,8- выветрелая и kw < 0,8 - сильно выветрелая (рухляки).

В связи с вышесказанным  видно, что 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 пpоцессом 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 выветpелых 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, геосинтетики 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. Гудрон 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 дaнной 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.

2. Гравитационные и водно-гравитационные процессы

Куски пород, отделившиеся от массива, в горных условиях неизбежно подвергаются влиянию силы тяжести и перемещаются вниз по склону, часто при участии воды. К таким процессам относят обвалы, осыпи, оползни и лавины.

Осыпи. На крутых склонах, особенно в горных районах, где развиты скальные породы, активно действует процесс физического выветривания. Породы растрескиваются и обломки скатываются вниз по склонам до места, где склон выполаживается. Этот процесс называется осыпанием. Так у подножья склонов накапливаются продукты осыпания - глыбы, щебень, более мелкие обломки - и образуются валы – осыпи. Мощность осыпей различна и колеблется от нескольких до десятков метров.

В состав осыпей входят обломки  тех горных пород, которые слагают склоны. Вид породы зачастую определяет крупность обломков осыпи. Так, массивные кристаллические породы дают крупнообломочные (глыбовые) осыпи. Менее прочные породы образуют средне обломочные (щебеночные) и мелкообломочные (дресвяные) осыпи. Сланцы и осадочные породы (известняки, мергели, песчаники и др.) порождают разно обломочные накопления, состоящие из обломков различной формы (плитчатой, пластинчатой и т. д.) и размеров.

Характерной особенностью осыпей является их подвижность. По признаку подвижности  их подразделяют на действующие, находящиеся в стадии интенсивного движения, затухающие и неподвижные.

Действующие осыпи лишены всякой растительности. Масса обломков нарастает и находится в рыхлом, весьма неустойчивом положении и приходит в движение за счет увеличения общего веса, сильного увлажнения, подрезки нижней части осыпи дорогами, от землетрясений и даже от более мелких сотрясений, возникающих при работе механизмов или движении транспорта. Существует мнение, что некоторые осыпи начинают двигаться от сильного звука (например, крика).

Движение осыпей. Наибольшие скорости движения осыпей отмечены в период снеготаяния и дождей. Наблюдения показывают, что осыпи в послойном разрезе передвигаются с различной скоростью. Скорость верхних слоев может достигать более 1 м/год, нижних  слоев и в целом всегo массива осыпи - несколько десятков сантиметров в год. На скорость движения влияют также количество поступающего материала, угол естественного откоса материала, из которого состоит осыпь, и угол поверхности осыпи.

Угол естественного откоса материала зависит от его крупности. В сухом состоянии крупно- и среднеобломочный материал имеет средний угол откоса ψ = 35 ... 37 ⁰, а мелко- и разнообломочный - 30 ... 32 ⁰. Значение угла откоса осыпи связано с крутизной склонов, количеством поступающего материала и его влажностью.

Зависимость между углами поверхности осыпи α и естественным откосом ψ обломочного материала характеризует степень подвижности осыпи

K=α/ψ,

где К - коэффициент подвижности осыпи.

По величине К осыпи разделяют на четыре типа.

Осыпи первого и второго типов относят к действующим. Они представлены свежей, неуплотнившейся массой обломков. «Живые» осыпи характерны для склонов круче 65 ⁰, достаточно подвижные осыпи с крутизной от 45 до 65 ⁰.

Для затухающих осыпей свойственно развитие растительности (кустарники, слабый дерновый слой). Неподвижные осыпи полностью задернованы, покрыты кустарником и даже лесом.

Иногда осыпи превращаются в осовы - особую разновидность оползней. Это происходит при насыщении осыпей водой. При смачивании масса обломков уменьшает угол естественного откоса, К увеличивается и вся масса осыпи «осовывается» по смоченной поверхности склона.