Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




29.04.2019


25.04.2019


22.04.2019


11.02.2019


17.01.2019


29.12.2018


29.12.2018


04.12.2018


25.10.2018


26.09.2018





Яндекс.Метрика
         » » Влияние выветривания на свойства скальных и полускальных пород

Влияние выветривания на свойства скальных и полускальных пород

13.12.2017

Горные породы, выступающие на поверхность земли или вскрываемые горными выработками, котлованами и выемками, редко сохраняют свою первоначальную свежесть и естественное физическое состояние. В этой приповерхностной зоне в новых температурных, влажностных и физико-химических условиях они подвергаются разнообразным изменениям — выветриванию, в результате чего возникает и развивается элювиальная зона — зона выветрелых пород.

При решении инженерно-геологических задач оценка степени выветрелости горных пород имеет огромное значение, так как чем она больше, тем больше и степень их разрушения. Следует иметь в виду, что разрушение пород в данном случае понимается в смысле изменения их физического состояния, в действительности же, как показано ниже, выветривание — процесс сложный, состоящий не только в разрушении пород и изменении их минерального и химического состава, но и в образовании новых, вторичных минералов, устойчивых в зоне выветривания.

При выветривании горных пород изменяются: 1) внешний облик, окраска, оттенки, появляются выцветы, натеки, налеты солей и т. д.; 2) физическое состояние, так как ослабевают или исчезают внутренние структурные связи между кристаллами минералов или частицами и агрегатами, их слагающими; 3) минеральный и химический состав в той или иной степени в зависимости от выветрелости пород; 4) свойства — влагоемкость, водопроницаемость, водоносность, плотность, пористость, прочность, твердость, крепость, устойчивость и несущие способности; 5) деформируемость, ее характер, величина и неоднородность на разных участках.

Все это необходимо учитывать при выборе участков для размещения сооружений, при оценке возможных изменений устойчивости пород в откосах, в стенках котлованов и подземных выработках, а также при определении строительной категории пород, мощности зоны съема, глубины врезки строительных котлованов в горные породы, глубины заложения фундаментов сооружений, при организации производства строительных работ и определении горнотехнических условий.

Выветривание горных пород в приповерхностных горизонтах земной коры — это непрерывно развивающийся процесс, интенсивность которого зависит как от свойств самих пород, их минерального состава, структуры, текстуры, так и от условий окружающей среды, т. е, климатических — физико-географических.

Основные агенты выветривания пород — температура, вода и водные растворы, растительные и животные организмы и др. При этом интенсивность выветривания возрастает с увеличением поступления тепла к поверхности земли или с увеличением резкости колебаний температуры пород, с увеличением частоты перехода температуры через 0°C. Влияет также количество поступающей влаги, т. е. чем больше выпадает осадков, чем интенсивнее происходит водообмен в приповерхностных горизонтах пород, чем больше в воде содержится различных агрессивных по отношению к горным породам веществ, тем интенсивнее идет процесс их выветривания. Большое значение при этом имеют наличие и характер растительного покрова, микроорганизмов, влияние различных продуктов их жизнедеятельности и в целом активность биохимических процессов.
Все эти агенты разрушения (выветривания) горных пород обычно действуют одновременно, но напряженность и преобладание того или другого всецело зависят от климатических условий данной местности. Поэтому может быть различным и характер разрушения пород, т. е. тип выветривания. Так, например, в условиях холодного влажного или сырого полярного гумидного климата, продолжительных морозов тундры и лесотундры господствующую роль играет физическое и особенно морозное выветривание (рис. II-16). Здесь количество выпадающих атмосферных осадков превышает испарение, но низкие температуры воздуха обусловливают их аккумуляцию в виде снега и фирнового льда, поэтому деятельность воды в жидкой фазе сдерживается. На обширных пространствах горные породы в приповерхностных горизонтах проморожены. Поэтому породы в зоне выветривания промываются сравнительно слабо.

В условиях континентального умеренно холодного избыточно влажного гумидного климата тайги и смешанных лесов наряду с физическим выветриванием заметную роль играет и химическое. Количество осадков здесь превышает испарение, поэтому породи в зоне выветривания промываются сравнительно хорошо.

В поясе континентального умеренно теплого засушливого гумидного климата лесостепей и степей химическое выветривание еще более интенсивно. Осадки преобладают здесь над испарением, но незначительно. Большое значение имеет поверхностный сток, так как осадки выпадают в течение года неравномерно, часто в виде ливней. Поэтому породы в зоне выветривания промываются сравнительно умеренно.

В областях умеренно холодного сухого резко континентального аридного климата полупустынь и пустынь, лишенных растительности или со скудной растительностью, резко преобладает физическое выветривание. Здесь испарение значительно превышает количество выпадающих осадков и породы в зоне выветривания промываются очень слабо.

Наконец, в условиях теплого, жаркого и избыточно влажного гумидного климата тропиков и субтропиков, в условиях обильной и разнообразной растительности и активных биохимических процессов, господствующее развитие имеет химическое выветривание- Здесь осадки значительно преобладают над испарением и породы в зоне выветривания хорошо и глубоко промываются.

Кроме климата на интенсивность и характер выветривания горных пород большое влияние оказывает также рельеф местности. Так, например, в условиях горного пересеченного рельефа процессы плоскостного смыва усиливаются, иногда темпы смыва опережают темпы выветривания пород, поэтому мощность зоны выветривания здесь ничтожна, чаще же породы невыветрелые, свежие выступают на поверхность земли или затронуты выветриванием в незначительной степени.

В условиях равнинного рельефа, где темпы плоскостного смыва ослаблены или малы, выветривание горных пород распространяется на большую глубину. Здесь успевает сформироваться, при прочих равных условиях, более мощная зона выветривания. Породы в ней больше изменены, причем часто в неодинаковой степени на разных глубинах. В результате устанавливается дифференциация зоны выветривания на подзоны. Как указывает Н.М. Страхов, «рельеф сам по себе не есть величина самостоятельная, он производный от режима эпейрогенических движений», т. е. интенсивные колебательные движения земной коры создают горный рельеф, а едва уловимым колебательным движениям отвечает равнинный рельеф.

Таким образом, из внешних факторов, обусловливающих темп и характер выветривания горных пород той или иной местности, первостепенное значение имеют климат и тектонический режим, действующий через рельеф. В большинстве случаев физическое и химическое выветривание развиваются одновременно, но в зависимости от климатических условий местности, условий рельефа то или иное из них преобладает.

При физическом выветривании происходят механическое раздробление породы, ее дезинтеграция на составляющие компоненты без заметного изменения минерального и химического состава. Оно связано главным образом с резкими колебаниями температуры, вызывающими неравномерное объемное и линейное расширение и сжатие минеральных компонентов, слагающих породы, и в целом объема всей породы в приповерхностных горизонтах земной коры. В условиях холодного климата физическое разрушение пород интенсивно развивается при замерзании воды, проникающей в поры, трещины и пустоты. При замерзании воды и превращении ее в лед объем ее увеличивается примерно на 9 %, это вызывает давление на стенки трещин и пор до 90—100 МПа и обусловливает раскалывание и разрывы пород даже очень прочных (морозное выветривание). В засушливых районах при интенсивном испарении влаги разрушение горных пород происходит вследствие кристаллизации солей из водных растворов в трещинах и пустотах. При этом кристаллизационное давление на стенки пор и трещин может достигать огромной силы, разрывать и раскалывать породы также очень прочные (рис. II-17).
Разрушающее действует на горные породы корневая система деревьев, развивающаяся по трещинам. Разрастающиеся корни давят с большой силой на стенки трещин, раздвигают их и вызывают еще большее раскалывание пород на отдельные глыбы и обломки.

Таким образом, физическое выветривание вначале обусловливает растрескивание пород пли отслаивание с их поверхности отдельных плиток, пластинок, слойков, затем раскалывание и разделение на крупные, обычно угловатые обломки, которые в дальнейшем крошатся, размельчаются и превращаются в щебень, дресву и песок. Все такие изменения состояния пород наиболее заметны в приповерхностных горизонтах земной коры — в зоне активного выветривания. Здесь нередко в вертикальном разрезе снизу вверх наблюдаются следующие подзоны: IV — монолитных пород; III — грубообломочная, глыбовая — «разборной скалы»; II — мелкообломочная щебенистая и I -дресвяно-песчаная (табл. II-17). Естественно, что в каждом конкретном случае развитие такого профиля зоны выветривания зависит от продолжительности и скорости разрушения пород, от соотношения темпов выветривания и денудации — поверхностного смыва. Общая мощность зоны физического разрушения горных пород обычно измеряется единицами метров.

Интенсивность физического выветривания зависит в значительной степени от окраски пород, их минерального состава, структурных и текстурных особенностей, теплоемкости и теплопроводности, коэффициентов линейного и объемного расширения породообразующих минералов и породы в целом.

При химическом выветривании происходит химическое разложение породы с изменением минерального и химического состава, с образованием новых, более устойчивых минералов и накоплением минерального вещества в тонкодисперсном — коллоидном — состоянии. Основными агентами химического выветривания являются вода и растворенные в ней углекислота, кислород, органические и другие кислоты, образующиеся в результате разложения различных минералов, растительных остатков и жизнедеятельности организмов.

Вода является сильным химическим реагентом благодаря тому, что всегда в той илb иной степени диссоциирована на ионы H+ и ОН-. Чем выше концентрация водородных ионов в воде, тем сильнее ее химическое воздействие на минералы, слагающие породы. Степень диссоциации воды, а следовательно, и концентрация водородных ионов возрастает с повышением температуры. Так, например, концентрация водородных ионов в грунтовых водах тропиков примерно в 6 раз выше, чем в грунтовых водах средних широт, поэтому и химическое выветривание там интенсивнее. Значительно возрастает диссоциация воды при наличии в ней свободной углекислоты. В воде, насыщенной углекислотой, концентрация водородных ионов увеличивается в 300 раз и более.

Химическое выветривание горных пород характеризуется большой сложностью. В породе одновременно могут происходить растворение, окисление, гидратация, замещение и гидролиз. Естественно, что в зависимости от состава и свойств самой породы, условий окружающей среды, продолжительности выветривания, глубины залегания пород от поверхности земли тот или иной из перечисленных процессов может получить преобладающее развитие.

Непосредственное растворение и выщелачивание присущи лишь соленосным и засоленным породам, т. е. содержащим легко- и среднерастворимые соли. Растворимость различных силикатов по сравнению с простыми солями ничтожна. Следует заметить, что одновременное нахождение различных солей в растворе влияет на растворимость минералов и пород. Например, присутствие в растворе хлористого натрия повышает растворимость углекислой извести в 3 раза; в воде, содержащей углекислоту, заметно начинают растворяться карбонаты; сернокислый магний понижает растворимость гипса до нуля и т. д. Породы соленосные и засоленные встречаются в приповерхностных горизонтах Земли только в условиях недостаточного увлажнения, т. е. в степных и главным образом в полупустынных и пустынных областях.

Процессам окисления подвержено большинство пород и минералов, содержащих закисные формы железа, марганца, никеля, кобальта, ванадия, серы и других элементов. Эти процессы заключаются в превращении закисных соединений металлов в окисные, в результате чего кристаллическая решетка минералов начинает разрушаться. Внешне этот процесс выражается прежде всего в изменении цвета породы, в появлении желтой (охристой) окраски, в пигментации минералов, в появлении сгустков и хлопьев в форме натечных коллоидных образований.

Одним из хорошо известных примеров подобных процессов является окисление сульфида железа (пирит). Сульфиды в присутствии свободного кислорода и воды становятся неустойчивыми и, постепенно окисляясь, превращаются в сульфаты, карбонаты и окислы.
Из пирита получается лимонит, представляющий собой соединение железа, наиболее устойчивое в приповерхностных горизонтах земной коры. Процессами окисления пирита объясняется присутствие гипса в зоне выветривания некоторых глинистых отложений. Окислению подвергаются и органические вещества, часто с помощью микроорганизмов. Внешне это также проявляется в изменении окраски породы. Так, например, углистые и битуминозные отложения черного или серого цвета светлеют почти до белого.

Широко распространен при выветривании процесс гидратации различных минералов. Сущность его заключается в том, что многие минералы при воздействии на них воды и водяных паров переходят в соединения, более богатые водой, химически связывают ее, образуя кристаллогидраты. Наряду с химически связанной водой при гидратации минералов появляется также и физически связанная вода, адсорбируемая поверхностью минералов. Раньше всех начинают гидратироваться минералы с хорошо выраженной спайностью, главным образом слюды и хлориты, превращающиеся в гидрослюды и гидрохлориты. Например,
Известно, что в процессе гидратации обычно образуются стадийные промежуточные гидратные формы, в которых содержание воды меняется в связи с изменением внешних условий среды.

Процесс гидратации минералов обычно сопровождается явлениями замещения катионов. При этом возникают новые однотипные минералы, различающиеся частичным замещением оснований. Замечено, что минералы, обладающие высокой обменной способностью оснований, особенно склонны к гидратации. В качестве примеров гидратации минералов в зоне выветривания можно привести переход ангидрита в гипс (CaSO4 + + 2H2О = CaSО4*2H2О), гематита в лимонит (Fе2O3 + nН2O = Fe2O3*nH2O) и др.

Гидролитическое разложение — основной процесс химического разрушения таких широко распространенных породообразующих минералов, как силикаты. Он состоит в том, что гидратированный ион водорода (оксоний) вытесняет из кристаллической решетки минералов К, Na, Ca, Mg и, внедряясь в нее, ослабляет внутренние связи, вызывая перестройку каркасной решетки в слоистую, а в дальнейшем распад ее на отдельные компоненты. Последовательность гидролитического разложения силикатов можно представить в виде следующих схем:
Аналогична схема разложения и железисто-магнезиальных силикатов. Характерно, что в первую очередь из кристаллической решетки первичных минералов вытесняются основания, которые образуют истинные растворы, и выносятся. Кремнезем при распаде частично переходит в раствор и выносится, частично переходит в коллоидное состояние, выносится или выпадает в осадок в виде водного кремнезема — опала, а частично расходуется на построение новых, вторичных — глинистых— минералов. Железо, входящее в состав железисто-магнезиальных силикатов, переходит из закисной формы в окисную, образуя свободные гидраты окиси железа (лимонит), и накапливается в зоне выветривания.

Вторичные — глинистые — минералы в условиях жаркого и влажного климата тропиков и субтропиков при значительной продолжительности процессов выветривания могут подвергаться дальнейшему разложению и переходить в конечные простейшие продукты химического выветривания — окислы кремния, алюминия и железа, являющиеся наиболее устойчивыми в зоне выветривания. Такое разложение можно представить в виде схемы
Сложный процесс гидролитического разложения силикатов нельзя рассматривать в изолированном виде: обычно он сопровождается явлениями гидратации, окисления, карбонатизации, замещения и выносом некоторых элементов из зоны выветривания. При этом возникают новые — вторичные — минералы и минеральные образования.

Таким образом, химическое выветривание горных пород сводится к их разрушению и разложению и сопровождается существенным изменением минерального и химического состава и физического состояния. Первичные породообразующие минералы разлагаются, часть составляющих их компонентов выносится из зоны выветривания в виде истинных и коллоидных растворов, а часть идет на формирование новых минералов, более устойчивых в условиях приповерхностных горизонтов земной коры. В результате химического выветривания происходят образование и накопление минерального вещества в топкодисперсном и коллоидном состоянии.

В итоге многолетних исследований установлено, что выветривание горных пород есть непрерывный и сложный процесс их разрушения, обусловленный действием ряда естественноисторических факторов. Он характеризуется определенными стадиями изменения состава и состояния пород в связи с изменением условий окружающей среды.

В настоящее время выделяют следующие четыре основные стадии выветривания горных пород, установленные Б.Б. Полыновым: 1) обломочную, 2) сиаллитную щелочную, 3) сиаллитную кислую и 4) аллитную.

Обломочная стадия характеризуется преобладанием физического выветривания над химическим. На этой стадии происходит механическое разрушение — раздробление, дезинтеграция — горной породы почти без изменения ее минерального и химического состава. В зависимости от продолжительности развития обломочной стадии выветривания степень раздробления породы может быть различной: от грубообломочной — глыбовой до мелкообломочной — щебенистой и дресвяно-песчаной (табл. II-17). На этой стадии в зоне выветривания накапливается определенный петрографический тип элювиальных образований. В аридных областях, в полярных и холодных горных странах этой стадией в основном и завершается выветривание горных пород.

Стадия сиаллитная щелочная является начальной стадией химического выветривания горных пород. На этой стадии из выветривающихся пород выносятся все простые растворимые соли — хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, начинается гидратация минералов и гидролитическое разложение силикатов с выносом оснований (К, Na, Mg н Ca). Переходящие в раствор щелочные и щелочноземельные металлы обусловливают щелочную или нейтральную реакцию среды п переводят в подвижное состояние часть кремнезема, так как он растворим в щелочных водах. То же самое происходит с Mn, который выносится. Полуторные окислы (Fe2O3, Al2O3, TiO2 и др.). поступая в раствор из материнских пород, коагулируют и осаждаются. Двухвалентное железо, быстро окисляясь в трехвалентное, также осаждается. Начинается образование глинистых минералов (гидрослюд, гидрохлоригов, монтмориллонита, нонтронита, бейделлита), накапливается слаборастворимый карбонат кальция, происходит обызвесткование породы, почему эту стадию и называют также сиаллитной обызвесткования.

Спаллитная кислая стадия характеризуется длительным вымыванием оснований и SiO2 из разрушающихся силикатов, вследствие чего щелочные условия постепенно сменяются кислыми, начинается миграция труднорастворимых соединений Al2O3, Fe2O3, MnO2 и др. Чем кислее среда, тем интенсивнее разлагаются силикаты, а продолжающийся вынос магния и калия приводит к разрушению образовавшихся па предыдущей стадии глинистых минералов. Кислая среда способствует сохранению и образованию глинистых минералов, лишенных оснований (каолинит, галлуазит и др.).

Аллитная стадия характеризуется дальнейшим разложением и упрощением соединений. Силикаты распадаются на простейшие окислы кремния, алюминия и железа. Преобладающее значение в образующихся продуктах выветривания получают полуторные окислы алюминия и железа. Этот процесс ведет к формированию латеритов — остаточных отложении, обогащенных гидратами окислов железа и свободным глиноземом. Эта стадия развита главным образом в условиях жаркого и влажного климата тропиков и субтропиков.

Отмечая стадийность в развитии выветривания горных пород, важно подчеркнуть, что руководящее значение в этом сложном процессе имеют климатические условия, рельеф поверхности земли, тектонический режим, а также состав и состояние выветривающихся пород. В зависимости от всех этих условии выветривание горных пород может задержаться на той или пион стадии пли, наоборот, быстро минуя одну, получить длительное развитие на другой.

Как отмечает И.И. Гинзбург, хорошо сформировавшаяся зона химически выветрелых пород обладает ясной изменчивостью в вертикальном направлении, причем книзу встречаются все менее и менее измененные породы. Условия их разрушения на разной глубине разные, так как книзу ослабевают температурные воздействия, просачивающиеся воды становятся все более минерализованными н их агрессивность понижается, содержание кислорода с глубиной уменьшается. Среда становится более щелочной. Над уровнем грунтовых вод, в зоне аэрации, господствуют окислительные условия, ниже — нейтральные и восстановительные.

В зоне выветривания отдельные подзоны отражают различные стадии выветривания, различную степень изменения и разрушения пород. Стадийность проявляется во внешнем облике и физическом состоянии пород, в преимущественном образовании в каждой подзоне тех или иных минералов, которые изменяются или превращаются в вышележащих подзонах в другие минералы, наиболее стойкие в данных условиях.

Выше уже отмечалось, что там, где широко развито физическое разрушение пород, зона выветривания приобретает свою дифференциацию на подзоны (табл. II-17). Там, где разрушение пород начинается под действием физических факторов, а затем образовавшиеся продукты раздробления и дезинтеграции продолжают подвергаться воздействию химических факторов выветривания и все интенсивнее в связи с увеличением их удельной поверхности, в вертикальном разрезе сверху выделяются подзоны изменения и химического преобразования, которые книзу постепенно переходят в подзону преимущественно физического разрушения материнских пород. Там же, где преобладает химическое разложение пород, значительная часть разреза сложена продуктами химического разрушения к изменения материнских пород и лишь в основании зоны выделяется подзона начальных продуктов выветривания и дезинтеграции (табл. II-18). Общая мощность зоны химического выветривания пород может достигать десятков и даже сотен метров.
При инженерно-геологическом изучении выветривания горных пород необходимо следующее:

1. Установление общей мощности зоны выветривания и изменений ее по простиранию в районе предполагаемого строительства, в пределах строительной площадки или на участках расположения отдельных сооружений с целью получения данных о глубине залегания и рельефе поверхности невыветрелых монолитных пород.

2. Расчленение зоны выветривания на подзоны, существенно различающиеся составом, физическим состоянием и свойствами, с целью выделения подзоны наиболее сильно разрушенных пород — подзоны активного выветривания.

3. Решение в зависимости от мощности и степени выветрелости пород ряда практических задач, например: а) выбор наиболее благоприятных участков для размещения на них сооружений (с точки зрения разрушенности пород выветриванием); б) определение глубины заложения фундаментов сооружений, оценка возможности использования выветрелых пород в качестве естественного основания и прогноз осадок сооружений; в) определение мощности выветрелых пород, подлежащих съему при проектировании котлованных работ; г) оценка устойчивости выветрелых пород на склонах, в откосах выемок, котлованах или подземных выработках; д) определение необходимости устройства противофильтрационных завес, глубины их врезки или других противофильтрационных мероприятий; е) прогноз возможности развития осыпей, вывалов, обвалов и других видов деформаций горных пород; ж) определение строительной категории выветрелых пород, условий и способов их разработки; з) определение необходимых инженерных мероприятий для обеспечения устойчивости проектируемых сооружений, защиты их от опасных деформаций выветрелых пород или защиты пород от воздействия агентов выветривания.

В практике инженерно-геологических работ все вышеперечисленные вопросы решаются при выполнении инженерно-геологической съемки, разведочных работ или специальных полевых опытных работ, лабораторных исследований горных пород и теоретических исследований, основанных на обобщении опыта проектирования, строительства и эксплуатации сооружений.

Строительными нормами и правилами (СНиП II—15—74) рекомендуется определять показатель степени выветрелости пород Kсв (отношение плотности выветрелой породы к плотности той же невыветрелой породы) и подразделять их на:
Как отмечено выше, в том или ином конкретном месте не всегда развита и сохраняется определенная дифференциация зоны выветривания на подзоны. Тем не менее при инженерно-геологическом изучении скальных и полускальных пород в каждом районе первостепенными задачами являются установление общей мощности зоны выветривания и ее расчленение на подзоны. Все это должно быть показано на всех опорных разрезах — колонках и геологических разрезах (по разведочным линиям, пересекающим строительную площадку, вдоль контуров проектируемых сооружений, по створу проектируемой плотины и оконтуривающим ее разрезам, по осп противофильтрационной завесы, мостового перехода, па разрезах, ориентированных нормально к простиранию естественного склона, откоса выемки, карьера и др.).

В отдельных случаях необходимо составлять специальные карты строительной площадки или участка, подлежащего застройке, на которых показывать распространение выветрелых пород, различающихся степенью разрушенности, мощностью зоны выветривания и т. д.

Для защиты сооружений от вредного и опасного влияния процессов выветривания пород нa их устойчивость применяют различные инженерные мероприятия. Их выбор зависит в первую очередь от того, будут ли рассматриваемые породы служить естественным основанием для сооружений, или они слагают естественные склоны, откосы выемок, стенки котлованов, или в них будут проходиться подземные выработки, каналы и другие сооружения. Важное значение при этом имеет состав, степень выветрелости пород, мощность зоны выветривания и скорость ее образования.

В зависимости от всех этих факторов защитные инженерные мероприятия могут состоять в следующем.

1. Срезка выветрелых пород — полная или частичная.

2. Оставление выветрелых пород в основании проектируемых сооружений или в откосах выемок при соблюдении определенных ограничений при проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений.

3. Защита пород от воздействия агентов выветривания путем устройства облицовочных стенок, покрытий из песка, глины, шлака.

4. Искусственное улучшение свойств пород путем их цементации, глинизации, битумизации, силикатизации и т. д.

5. Применение искусственных оснований путем замены выветрелых пород песчано-гравелистыми, галечниковыми, щебенистыми, бетонными подушками или применение фундаментов глубокого заложения.