Главной особенностью выветривания является постепенное дробление горной породы, при котором происходит исчезновение прочных кристаллизационных связей и возникновение новых, сравнительно слабых в механическом отношении коллоидных связей.
Многолетняя мерзлота.
Существуют зоны земной коры, в которых на некоторой глубине в течение тысячелетий сохраняется отрицательная температура. Это явление называют вечной мерзлотой, устойчивой мерзлотой или многолетней мерзлотой. Многолетнемерзлые породы имеют широкое развитие, и площадь их распространения составляет около 25% всей суши земного шара.
Многолетнемерзлые горные породы развиты в северных, северо-восточных и восточных районах России. Южная граница их распространения имеет весьма прихотливые очертания. В пределах Кольского полуострова и севера европейской части России она оконтуривает относительно узкую полосу, постепенно расширяющуюся к Уралу. После резкого изгиба к югу вдоль Уральского хребта она несколько отклоняется к северу и проходит на огромных пространствах западной Сибири почти в широтном направлении, пересекая реки Обь и Енисей. Далее она круто поворачивает к югу, протягивается вдоль правого берега р. Енисей и, огибая Алтай, уходит за пределы России, вновь появляясь на юго-востоке страны, проходя по левобережью Амура.
Достаточно широкое распространение многолетнемерзлые горные породы имеют на Северо-Американском континенте, на островах Северного Ледовитого океана, в Гренландии, Антарктиде.
Мощность вечномерзлых пород колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Жители Якутска в 1632 г., намереваясь черпать воду из колодца, рыли колодец до 16 м и оставили его в вечномерзлых грунтах. Эту попытку для получения питьевой воды повторил в 1826 г. житель Якутска Ф. Шергин. Но, несмотря на большую глубину (116,4 м), колодец не вышел из мерзлого грунта. Установлено, что мощность толщи вечномерзлых грунтов в районе Якутска составляет 250 м. максимально установленная мощность толщи многолетнемерзлых пород составляет 1450 м. Это в южной части Анабарского массива в верховьях р. Мархи. В районе хребтов Удокан и Жодарский мощность толщи вечномерзлых пород достигает 1300 м.
Защитные мероприятия.
Выбор того или иного метода зависит от конструктивных термических характеристик возводимых зданий и сооружений от геоморфологических и геотехнических характеристик условий залегания толщи вечномерзлых пород.
Метод строительства без учета температурного режима грунтов может применяться в тех случаях, когда основание сооружений на всю глубину оттаивания являются скальные роды,
Метод строительства с сохранением режима вечной мерзлоты применяется для неотапливаемых зданий и сооружений, также для зданий, отапливаемых с применением мер по сохранению вечномерзлого состояния грунтов основания. Этот метод используется, главным образом, в тех случаях, когда мерзлые грунты имеют большую мощность (15-20 м и более), а сооружение не выделяет большого количества тепла. В этих условиях мерзлое состояние грунтов может быть сохранено без сложных конструктивных решений и значительных затрат. В этом случае устраивают продуваемые крупнопористые каменные подсыпки под всей площадью основания здания или устанавливают сооружение на свайном фундаменте с проветриваемым подпольев Ленточные фундаменты почти не применяются. Известны некоторые старинные здания (двухэтажный дом архиерея в Якутии и инженерные склады в Чите), имеющие проветриваемые подполья, которые сохранились без значительных деформаций. четно-теоретическое и конструктивное обоснование принцу использования вечномерзлых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений с сохранением их мерзлого состояния был произведено в конце 20-х годов XX в. в связи с проектированем и строительством Петровско-Забайкальского металлургического завода и Якутской ЦЭС. В настоящее время этот метод является общепризнанным и универсальным.
Метод возведения сооружений с предварительным протаиванием вечномерзлой толщи применяется главным образом в тех случаях, когда сооружения выделяют большое количество тепла сохранение мерзлого состояния грунтов оказывается технического невозможным или экономически невыгодным. Если мерзлый слой не более 10 м, то рекомендуется: летом снять верхний утепленный слой грунта (мох, дерн, торф) и оставить его протаивать. В зимнее время на участке предусмотреть снегозадержании для утепления поверхности грунта. Таким образом, в течение 2-3 лет вечномерзлые породы оттаивают на 5-6 м. Оттаивание можно производить с помощью пара: через паровые иглы пропускают горячий пар и породы оттаивают на 7-10 м.
Метод строительства и эксплуатации сооружений с последующим оттаиванием вечномерзлых пород применим, когда:
1. температурный режим грунтовой толщи близок к 0°С;
2. грунты при оттаивании не являются сильно просадочными и осадка их меньше предельной величины для данного сооружения.
По этому методу рекомендуется возводить сооружения лишь награвелистых, щебенистых, песчаных грунтах, уплотняющихся при оттаивании под нагрузкой, но не выдавливающихся из-под подошвы фундамента.
Строительство насыпей железных дорог. Строители железных дорог впервые встретились с вечномерзлыми породами в начале XX века на участке Транссибирской магистрали в пределах Читинской и Амурской областей. Стремление сохранить в мерзлом состоянии льдистые породы в основании земляного полотна выражалось в назначении высоты насыпей не менее 2м. При отсыпке их использовались любые горные породы. Последующая эксплуатация железных дорог показала, что сохранить грунты основания в мерзлом состоянии не удалось, на значительном протяжении имелась неравномерная осадка земляного полотна. В 30-40 годы XX в. строительство железных дорог в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока велось по принципу сохранения вечномерзлых пород в основании земляного полотна дорог. С целью сохранения вечной мерзлоты намечалась укладка термоизоляции из торфа и мха в основании насыпей, а также покрытие ими откосов насыпей и выемок. На состояние земляного полотна оказывают влияние:
· состав и свойства грунтов насыпи и ее основания;
· высота насыпи;
· температура вечномерзлых грунтов;
· характер растительного покрова;
· климатические условия;
· динамическое воздействие поездной нагрузки.
В разных климатических районах при одинаковых грунтах земляного полотна и основания и других равных условиях существенное влияние на режим вечномерзлых грунтов основания оказывает их температура.
7. Приведите классификацию подземных вод. Опишите разные фазовые состояния воды в породах, а также условия залегания и движения подземных вод
В горных породах наблюдается несколько видов воды, отличающихся по физическим свойствам. В инженерной геологии принята классификация видов воды, предложенная Лебедевым (1930), которая позднее была уточнена в соответствиис новыми представлениями о природе воды и строении ее молекул. Согласно этой классификации выделяют следующие виды воды:
1. парообразная;
2. физически связанная:
-гигроскопическая (прочносвязанная);
-пленочная (рыхлосвязанная);
3. капиллярная;
4. гравитационная (свободная);
5. вода в твердом состоянии;
6. химически связанная вода в минералах:
-кристаллизационная;
-конституционная.
Пленочная вода.
Пленочная (рыхлосвязанная) вода. Пленочная вода также удерживается на частицах горных пород молекулярными силами.
Пленочная вода вместе с прочносвязанной называется молекулярной водой.
Максимальное количество молекулярной воды, удерживаваемой породой, А.Ф. Лебедев назвал максимальной молекулярная влагоемкостью. Эта влагоемкость примерно соответствует влажности нижнего предела пластичности. Средняя толщина слои пленочной воды составляет 0,1-0,5 мкм. По мере увеличения толщины пленки действие молекулярных сил уменьшается. Поэтому внешние слои пленочной воды уже доступны для литании растений.
Наличие пленочной воды в горных породах заметно на глаз так как порода при этом приобретает более темную окраску. При соприкосновении частиц породы между собой пленочная вода перемещается от частиц с более толстыми пленками к частицам с более тонкими, пока толщина пленок у обеих частая не сравняется.
Температура замерзания пленочной воды составляет -3-*- -4:С
Максимальное содержание пленочной воды, %, достигает:
в песках 1-7,
супесях 9-13
суглинках 15-23
глинах 25-40.
Пленочная вода оказывает влияние на процесс уплотнения и набухания глинистых грунтов. Известно, что для возведения земляных дамб и плотин широко применяются суглинки. Чтобы обеспечить необходимую прочность и минимальную водопроницаемость этих пород, их уплотняют катками, трамбующими мо ханизмами до получения заданной величины плотности скелета грунта — рд. На уплотнение затрачивается значительная работа.
Исследователями были определены оптимальные условия, соблюдение которых позволяет уменьшить затраты на уплотнение пород. Установлено, что вначале при увеличении влажности значение рд возрастает. При этом плотность пород становится наибольшей. Эта влажность получила название оптимальная, При дальнейшем увеличении влажности плотность пород уменьшается. При приближении влажности пород к величине молекулярной влагоемкости возрастает смазывающее влияние пленочной воды. Это лишь способствует уплотнению грунтов.
При увеличении влажности свыше значения максимально молекулярной влагоемкости вода заполняет уже значительную часть объема пор. И в этом случае вода, заполняющая поры грунтов, препятствует уплотнению. Без удаления некоторого количества воды из порового пространства под действием катка уплотнение может не произойти. Вода при этом играет роль механического препятствия, сопротивляясь уплотнению. Вместе с тем, малая прочность суглинков при высокой влажности приводит к их выдавливанию из-под катка. Оно проявляется в виде зыби. Поэтому уплотнение суглинков необходимо производить только при оптимальной влажности.