Суффозионные явления

Суффозия (от лат. suffosio — подкапывание) — вынос мелких минеральных частиц породы фильтрующейся через неё водой.

Процесс близок к карсту, но отличается от него тем, что суффозия является преимущественно физическим процессом и частицы породы не претерпевают дальнейшего разрушения. Одна из характеристик размываемости грунтов.

Суффозия приводит к проседанию вышележащей толщи и образованию западин (суффозионных воронок, блюдец, впадин) диаметром до 10 и даже 100 метров, а также пещер. Другим следствием может быть изменение гранулометрического состава пород как подверженных суффозии, так и являющихся фильтром для вынесенного материала.

Наиболее широкое развитие суффозия получает в области распространения лёссов и лёссовидных суглинков, под склонами долин рек, часто по ходам роющих животных. Одним из необходимых условий суффозии является наличие в породе как крупных частиц, образующих неподвижный каркас, так и вымывающихся мелких. Вынос начинается лишь с определенных значений напора воды, ниже которых происходит только фильтрация.

Виды суффозии

Механическая — вода при фильтрации отрывает и выносит целые частицы (глинистые, песчаные)

Химическая — вода растворяет частицы породы (соли, гипс) и выносит продукты разрушения

Химико-физическая — смешанная (часто происходит в лёссе)

При фильтрации подземная вода совершает разрушительную работу. Из пород вымываются составляющие их мелкие частицы. Это сопровождается оседанием поверхности земли, образованием провалов, воронок. Этот процесс выноса частиц, а не его последствия, называют суффозией.

Основной причиной суффозионных явлений следует считать возникновение в подземных водах значительных сил гидродинамического давления и превышение величины некоторой критической скорости воды. Это вызывает отрыв и вынос частиц во взвешенном состоянии.

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

В глубине массива перенос мелких частиц осуществляется водой из одних пластов в другие или в пределах одного слоя. Это приводит к изменению состава пород и образованию подземных каналов. В глубине массива суффозия может возникать также на контакте двух 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. Развитие пещер нередко сопровождается провалом поверхности земли, повреждением зданий и подземных коммуникаций.

Следует отметить, что в лессовых породах суффозия развивается не только на контактах, но и в самих толщах, образуя так называемый глиняный, или лессовый, карст. Развитие пустот начинается с ходов землемеров при условии возникновения в них турбулентных завихрений фильтрующей воды. Порода разрушается и образуются пустоты размыва.

Как механическая, так и химическая суффозия активно проявляется также вблизи поверхности земли при естественном или искусственном изменении гидродинамических условий - формировании воронок депрессии, колебаниях уровня подземных и поверхностных вод, откачках, дренировании. Суффозионные процессы часто возникают на склонах речных долин и откосах котлованов и берегах водохранилищ при быстром спаде паводковых вод или сбросе лишних вод, в местах выхода на поверхность грунтовых вод, на орошаемых территориях.

В откосах строительных выемок суффозионный вынос частиц приводит к оседанию поверхности, образованию провалов, воронок, оползней. В районе Волгограда многие оползни связаны с суффозионным выносом песка грунтовыми водами. На орошаемых землях дельт Терека и Сулака (Прикаспий) за счет инфильтрации воды и перепада ее скоростей на границе супесчано-суглинистых отложений с озерно-аллювиальными трещиноватыми глинами образуются крупные провалы, разрушается оросительная сеть, магистральный канал.

Химическая суффозия может проходить длительное время и выщелачивает не только карбонаты и другие, сравнительно легко растворимые вещества, но и кремнезем. При значительном растворении пород химическая суффозия переходит в карстовый процесс.

При проектировании объектов необходимо установить возможность проявления суффозионной осадки, определять величину и характер протекания суффозной осадки. При этом следует определять ВСЮ суммарную величину вертикальной деформации засоленного основания, которая складывается из осадки, вызванной уплотнением 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 и 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.

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; перекрытием места выхода подземных вод тампонированием или присыпкой песка; устройством дренажей для осушения пород или уменьшением скорости фильтрации воды; упрочнением ослабленных суффозией пород методами силикатизации, цементации, глинизации, применением особых видов фундаментов, например, свайных.

Карст

Под карстом понимают совокупность процессов и явлений, свя­занных с растворением трещиноватых горных пород (известняков, гипса, каменной соли и др.) и образованием отрицательных форм рельефа на поверхности земли и различных полостей, каналов и пещер в глубине. Нередко развитие карста сопровождается провала­ми и оседанием кровли, образованием воронок,, озер и других впа­дин на земной поверхности.

Термин «карст» произошел от одноименного названия извест­някового плато в бывшей Югославии близ г. Триеста, где подоб­ные явления наиболее развиты. Горные породы, которые подвер­жены развитию карста, называют карстующимися, массивы гор­ных пород — закарстованными, а районы, где развивается карст, — карстовыми. Провалы и оседания земной поверхности^ вызван­ные карстом, представляют значительную опасность для существу­ющих зданий и сооружений. Особенно это относится к строитель­ству и эксплуатации в карстовых районах гидротехнических, транс­портных и подземных сооружений (прорывы карстовых вод в тон­нели, провалы грунтов под зданиями и на трассах железных до­рог, разрушения мостов, незаполняемые водохранилища и другие аварии и деформации).

Карст широко распространен в мире. Карсту подвержена значи­тельная часть всей суши Земли, в том числе большие площади и в России (центральная часть Русской равнины, западное Приуралье (рис. 27.1), Приангарье, Северный Кавказ и многие другие районы, где имеются растворимые горные породы. Интенсивность развития карстовых процессов может быть весьма высокой. Так, например, по данным Р. Ньютона (1984), в США только в штате Алабама за последнее время возникло огромное число искусственно вызванных провалов и оседаний земной поверхности, связанных с техногенной активизацией карста. Отдельные воронки достигали 50—60 м в диа­метре и до 30 м глубиной.

Основные условия и интенсивность развития карста. Необхо­димыми условиями развития карста являются: 1) наличие раствори­мых горных пород; 2) трещиноватость пород, обеспечивающая про­никновение воды; 3) растворяющая способность воды и ее активная циркуляция (движение) по трещинам.

При сочетании на конкретном участке этих условий развитие кар­ста неизбежно, при исключении хотя бы одного из ни х — карст не образуется.

По характеру растворимых пород различают три основных типа карста: карбонатный (известняк, доломит, мел, мергель), сульфат­ный (гипс, ангидрит) и соляной (каменная и калийная соли).

По подсчетам ученых, карбонатные карстующие породы (обна­женные и погребенные) на всех континентах Земли занимают пло­щадь 40 млн км², гипсы — около 7 млн км² и соли — до 4 млн км²,

Карбонатный карст, распространенный в мире наиболее ши­роко, развивается очень медленно, так как он связан с труднора­створимыми породами — известняками, доломитами и другими карбонатными породами. Наибольшую опасность представляют существующие до начала строительства карстовые формы, а также возможная их активизация под воздействием инженерно-хозяй­ственной деятельности человека.

Типичным примером техногенной активизации карбонатного кар­ста может служить образование карстово-суффозионных воронок на территории г. Москва. В этих случаях развитие карстового про­цесса сопровождается суффозионным выносом тонкодисперсного гли­нистого заполнителя из карстовых полостей фильтрационным по­током. Ранее Москва считалась городом, где карстовые процессы затухли и не проявляли себя на поверхности земли. Однако интен­сивный отбор подземных вод, подработка территории, утечки вод из подземных коммуникаций, а также динамические и вибрационные воздействия транспорта и строительных работ и некоторые другие факторы (возможно, загрязнение подземных вод) заметно усилили эти процессы.

По данным В.И. Осипова (1997), в результате интенсивных от­качек подземных вод в северо-западной части г. Москвы за после­дние 25 лет возникло 42 карстово-суффозионных провала диамет­ром от нескольких метров до 40 м и глубиной от 1,5 до 5—8 м. При этом пострадали три пятиэтажных здания, которые пришлось из-за серьезных деформаций разобрать.

В среднерастворимых породах (сульфатный карст в гипсах и ан­гидритах) скорость развития карстовых процессов соизмерима со сро­ками строительства и эксплуатации сооружений. И, тем не менее, сульфатный карст представляет серьезную угрозу при строительном освоении территории (углубление огромных карстовых воронок на железной дороге в районе г. Уфы и др.).

Наибольшей скоростью развития отличается соляной карст (лег­корастворимые каменная, калийные и другие соли). Поэтому строи­тельство сооружений в районах его развития рекомендуется выно­сить за пределы опасных участков. Например, вряд ли целесообраз­но какое-либо строительство в районе Илецкого соляного купола, где на площади 5 км² ежегодно образуются несколько провалов глу­биной до 10 м и более.

На скорость развития карстового процесса во всех типах карста огромное влияние оказывает интенсивность водообмена, которая, в свою очередь, зависит от особенностей рельефа и его гипсометри­ческого положения относительно базиса эрозии (ближайших рек, водоемов и т. п.). Карстовый процесс будет активно развиваться до тех пор, пока уровень подземных вод в закарстованном массиве не достигнет уровня местного базиса эрозии. Цосле достижения этого уровня развитие карста приостанавливается.

Толща горных пород, расположенная выше уровня грунтовых вод, где развита активная циркуляция воды и происходит образо­вание различных пустот и полостей, называется зоной карстооб- разования. Ниже уровня грунтовых вод располагается зона цемен­тации, для которой характерно заполнение трещин природным це­ментом и затухание карстового процесса.

Типы и формы карстового рельефа. Существует два основных типа карстового рельефа: 1) закрытый, когда карстующиеся породы покрыты толщей нерастворимых пород различной мощности (Рус­ская равнина и др.) и 2) открытый (поверхностный), при котором карстующиеся породы выходят непосредственно на дневную поверх­ность (молодые складчатые горы Крыма, Закавказья и др.).

Формы карстового рельефа подразделяют на поверхностные и под­земные.

Поверхностные карстовые формы представлены каррами, про­вальными воронками, понорами, карстовыми котловинами, полья- ми и другими формами карстового рельефа (рис. 27.2, по Н. И. Ни­колаеву).

Рис. 27.2. Поверхностные и подземные карстовые формы: 1 — провальная воронка. А — профиль; Б — план; П— донор; 2 — блюдцеобразная воронка; в — делювий, заполняющий дно воронки; 3 -г- карстовая котловина; 4 — карсто­вый колодец

Карры — это небольшие углубления (от нескольких сантимет­ров до 1—2 м) типа борозд на поверхности карстующихся пород, глав­ным образом известняков.

Наиболее распространенной карстовой формой является проваль­ная воронка, которая образуется в результате обрушения горных пород над подземной карстовой полостью. Диаметр воронок колеблется от 1—2 до 40—50 м, редко до 100 м и более, глубина различная — от 1— 2 м до десятков метров и более (иногда до 100 м). На дне карстовых воронок может находиться водопоглощающее отверстие — понор.

Карстовые провальные воронки возникают внезапно, поэтому они представляют главную опасность для сооружений в карстовых районах.

К наиболее крупным поверхностным карстовым формам отно­сят замкнутые впадины — карстовые котловины и полья, которые достигают очень больших размеров (десятков и сотен квадратных километров).

Примерами подземных карстовых форм могут служить пеще­ры (рис. 27.'4), естественные шахты, колодцы, галереи, каналы, ка­верны и др. Самые крупные в мире карстовые пропасти имеют глу­бину более 1100 м, длиннейшие пещеры мира превышают 100 км и более. В ряде карстовых районов наблюдаются исчезающие озера, а также реки, которые движутся по огромным подземным руслам. Крупнейшая из исчезающих рек — р. Требишница в бывшей Юго­славии. Эта река длиной 90 км имеет поверхностный водоток лишь на протяжении 40 км.

Инженерно-геологические изыскания в карстовых районах. В со­став работ входят изучение форм и механизма формирования поверхностных и подземных карстовых проявлений, оценка устойчивости мас­сивов горных пород, степени активности карстового процесса, возмож­ности его активизации под воздействием техногенных факторов и др.

Для перспективного планирования размещения различных стро­ительных объектов в карстовых районах очень важно установить сте­пень закарстованности территории. Ее определяют в ходе марш­рутных обследований, рассчитав количество провальных, воронок, карстовых озер и других проявлений карста, приходящихся на 1 км² площади исследуемой территории.

Не менее важно оценить устойчивость массивов горных по­род в карстовых районах, которую определяют по скорости обра­зования карстовых воронок за год. К очень неустойчивым, со­гласно СНиП 22-02—2003, относят территории, где на 1 км² обра­зуется свыше 1 карстового провала в год (I категория устойчивос­ти), свыше 0,1 до 1,0 — к неустойчивым (И категория), свыше 0,05 до 0,1 — к недостаточно устойчивым (III категория), свыше 0,01 до 0,05 — к несколько пониженной устойчивости (IV катего­рия), до 0,01 — к относительно устойчивым (V категория).

При отсутствии карстовых провалов за последние 50 лет терри­тория может рассматриваться как карстово-неопасная, т. е. устойчи­вая (VI категория) и проекты ее застройки следует выполнять как для некарстовых районов.

На территории, отнесенной к очень неустойчивой (I категория); строительство зданий и сооружений не рекомендуется. Строитель­ство на территориях И—V категорий устойчивости допускается толь­ко с применением противокарстовых мероприятий.

Противокарстовые мероприятия. Для инженерной защиты зда­ний и сооружений от карста применяют следующие основные ме­роприятия (СНиП 22-02—2003): водозащитные, геотехнические (ук­репление оснований) и конструктивные.

Существует три основных направления противокарстовой защиты.

К первому относят активные меры, направленные на коренное изменение или предотвращение карстового процесса: 1) укрепление оснований путем тампонажа (заполнения) карстовых полостей и тре­щин песчано-глинистым материалом, а также нагнетанием в них це­ментного раствора, горячего битума, жидких смол; 2) опирание фун­даментов на надежные незакарстованные или закрепленные грунты.

Второе направление противокарстовой защиты предусматривает максимальное сокращение инфильтрации поверхностных, техно­генных и хозяйственно-бытовых вод в грунт (вертикальная плани­ровка земной поверхности, противофильтрационные завесы и экра­ны, дренаж агрессивных подземных вод, ограничение откачек под­земных вод и др.).

При невозможности укрепить или предохранить зак^рстованный массив от развития карста следует использовать третье направление — конструктивные меры. В их состав входят специальные конст­руктивные решения фундаментов, в том числе прорезка всей толщи закарстованных пород глубокими фундаментами, главным образом свайными; надфундаментные и поэтажные пояса, повышение проч­ности и жесткости сооружений и др.

В необходимых случаях следует организовать мон иторинг (на­блюдения) за деформациями зданий и сооружений, оседанием зем­ной поверхности, состоянием грунтов и уровнем подземных вод. Строительными нормами и правилами предусматривается также система автоматической сигнализации на случай появления недопу­стимых карстовых деформаций.

Дата добавления: 2015-07-15