PROCESY GEOLOGICZNE I ICH ZNACZENIE W GEOTECHNICE

Procesy egzogeniczne

Procesy egzogeniczne są to procesy zachodzące na powierzchni ziemi wywolane zarówno czynnikami zewnętrznymi jak i zachodzącymi we wnętrzu Ziemi. Na powstanie procesów geologicznych maja wpływ czynniki zewnętrzne takie jak: wpływ temperatury, opadów, wiatru, wód płynących po powierzchni, czy tez krążących w skalach Zycie organiczne.

Działanie tych procesów może być niszczace jak i twórcze. Dla geotechniki nawazniejsze są te procesy które działają niszcząco a więc które obniżają:

- właściwości techniczne skał

- wytrzymałość na ściskanie

- rozciąganie

- ścinanie

- zwiększenie odkształcalności.

Wietrzenie fizyczne

Wietrzenie fizyczne jest procesem prowadzącym do rozpadu skał. Polega ono na współdziałaniu czynników takich jak woda, zmiany temperatury i mechaniczne działanie organizmów.

Przy powierzchni, w szczelinach i porach skalnych znajduje się woda, która zamarzając powiększa swoją objętość o około 9%, co powoduje zmianę stanu naprężeń - co ułatwia jej rozpad na mniejsze i większe bloki.

Jeżeli w skale wszystkie wolne pory i spękania wypełnione są wodą to w temperaturze -10stopniC ciśnienie dochodzi do 10 kPa, a w temperaturze -22stopnieC wynoszą 210mPa.

Na niszczenie skał ma również wpływ wysoka temperatura. Skała w ciągu dnia nagrzewa się do pewnej głębokości - w zależności od temperatury głębokość nagrzania może wynosić nawet kilka metrów.

W nocy następuje gwałtowne ochłodzenie powierzchni ogrzanej skały. Ochłodzona szybko warstwa powierzchniowa gwałtownie kurczy się, przez co zmniejsza swoją objętość w stosunku do jeszcze nagrzanej warstwy leżącej niżej.

Na powierzchni skały powstają pęknięcia przeważnie radialne. Powtarzanie się tych procesów powoduje wypadanie bloków różnej wielkości, a nawet niektórych minerałów np. kwarcu.

Proces rozpadu skał nazywamy eksfoliacją lub łuszczeniem skał, a wypadanie odrębnych minerałów dezintegracją granularną.

Działanie wody i temp. w różnych warunkach klimatycznych powoduje blokowy rozpad skał. Proces ten jest wspomagany także przez korzenie drzew i krzewów, które rozchodzą się szczelinami, wywierają nacisk na skałę i przyspieszają jej rozpad.

Kolejny ważny czynnik wietrzenia fizycznego to pęcznienie i skurcz minerałów ilastych, z których składa się znaczna cześć skał osadowych. Minerały ilaste pod wpływem wody zwiększają swą objętość, niekiedy nawet bardzo znacznie, tak jak w przypadku iłów montmorylonitowych.

Pod wpływem wyższej temperatury natomiast zachodzi zjawisko odwrotne i minerały ilaste tracą wodę ulegając skurczowi. Powoduje to zmiany stanu naprężenia i prowadzi do rozpadu skał. Ciśnienie pęcznienia zależy od minerałów ilastych i wynosi ok. 2 MPa.

Zjawiska pęcznienie i skurczu powtarzające się cyklicznie powodują daleko idącą destrukcje skał ilastych lub zawierających ilaste przewarstwienia. Może ona sięgać do 100m.

Czynnikiem przyspieszającym wietrzenie fizyczne jest nakładanie się pęcznienie i skurczu w czasie zamarzania i rozmarzania skał.

Wietrzenie chemiczne

Polega ono na działaniu czynników chemicznych, które zmieniają petrograficzny charakter skał i powodują często powstawanie nowych minerałów mających zasadnicze znaczenie przy ocenie podłoża budowlanego.

Główną rolę w wietrzeniu chemicznym spełnia woda, która krążąc w przyrodzie zmienia swoje właściwości. Staje się ona wtedy bardziej aktywna wobec skał w zależności od pH środowiska i może spowodować rozpuszczenie niektórych ich składników.

Duże znaczenie ma zdolnośc wody do dysocjacji elektrolitycznej (rozczepienia się H₂O na wolne jony H+ i OH-(aktywne jony mogą reagować z substancjami znajdującymi się w wodzie))

Pod wpływem wody mogą zachodzić w skalach następujące procesy:

- utleniania

- redukcji

- uwęglanowienia

- kaolinizacji

Kaolinizacja ma największe znaczenie dla budownictwa, ponieważ powoduje rozklad skał magmowych, w wyniku czego powstają nowe minerały znawe ilastymi.

Proces ten nazywamy wietrzeniem ilastym (skały są nieprzydatne jako materiały budowlane, ponieważ podlegają procesom pęcznienia i skurczu). W wyniku wietrzenia część jego produktów jest odprowadzona poza obręb skały wietrzejącej, a część pozostaje na miejscu wzbogacona w określone składniki mineralne.

Pozostałość ta nazywa się eluwium i tworzą ją przeważnie gliny zwietrzelinowe. W wyniku erozji gliny zwietrzelinowe są rozmyte, a różnoziarnisty materiał ulega wyselekcjonowaniu i przemieszczaniu w niższe partie zbocza. Zgromadzony tak materiał nosi nazwę deluwium.

Kolejnym wietrzeniem chemicznym jest wietrzenie laterytowe, polegające na powstaniu czystych wodorotlenków żelaza i glinu, w których glin jest chemicznie związany z krzemionką. Może też się zdarzyć, że w tym procesie krzemionka jest częściowo rozpuszczona i prowadzona ze środowiska skalnego objętego wietrzenie

Ten typ wietrzenia zachodzi głównie w klimacie równikowym i podzwrotnikowym.

W wyniku wietrzenia ilastego powstają złoża kaolinów, a laterytowego - złoża boksytów.

Rozkład produktów wietrzenia (w przypadku wietrzenia fizycznego i chemicznego) w zależności od głębokości uwidocznią się na profilu wietrzenia. Można w nim wyróżnić cztery strefy:

- monolitowa - znajduję się bezpośrednio ponad strefą skały pierwotnej niepodanej działaniom procesów wietrzeniowych. Uwidaczniają się w niej spękania powstałe w wyniku rozprężania się masywu. Skały w tej strefie mają też mniejszą wytrzymałość mechaniczną w stosunku do skały macierzystej.

- bloków - posiada znacznie wiekszą ilość spękań wietrzeniowych niż strefa monolitowa. Szczeliny dzielą skałe na stykające się ze sobą bloki. Skład mineralny i struktura skały nie ulegają zmianą w tej strefie.

- gruzu i piasku - charakteryzuję się wystepowaniem brył zanurzonych w ziarnistej masie tworzących rodzaj gruzu. Bryły te mogą być uporządkowane (szczególnie w niższych partiach strefy) lub nieuporządkowane. W trakcie wietrzenia bryły pomniejszają swe rozmiary, a ich ostre krawędzie zaokrąglają się. W tej strefie zwiększa się znacznie powierzchnia właściwa wietrzejącego materiału skalnego.

- pylów i iłów - wystepują w niej największe rozdrobnienia i zmiana składu mineralnego. Składa się ona z minerałów wietrzeniowych, grunty tej strefy mają małą wytrzymałość na ściskanie i ścinanie.

Zależnie od wietrzonej skały w profilu wietrzenia mogą wystepować jedna lub dwie z pośród wymienionych stref.

Erozja rzeczna

Jest ona spowodowana grawitacyjnym ruchem wody rzecznej. Może przybierać postać erozji:

- wgłębnej (dennej) która zachodzi za pośrednictwem trzech podstawowych procesów: korazji, eworsji, kawitacji.

- bocznej, polega na podcinaniu lub podmywaniu brzegów. Efektem tego jest oberwanie się materiału (skalnego, ziemnego) i przesunięcie ściany brzegu oraz dostawa nowego rumowiska do koryta potoku. Duże tempo erozji bocznej wiąże się z krętymi korytami rzek.

- wstecznej (źródliskowa) zachodzi w strefie wystepowania źródła, gdzie pod wpływem spłukiwania powierzchniowego, skierowanego ku nuszy źródliskowej oraz wypłukiwania i rozpuszczania utworów podłoża, zaglębienie przekształca się w lej źródliskowy, Nastepuje wydłużenie koryta potoku.

Rozkład prędkości prądu i turbulencji w przekroju rzeki:

a) koryto symetryczne (bieg rzeki prostolinijny)

b) koryto asymetryczne (bieg rzeki kręty)

Erozja morska

Ten rodzaj erozji spowodowany jest falowaniem wody i prądami morskimi przy wpływie wiatru, opadów , chemizmu wody. Największy wpływ na przebieg erozji ma falowanie powodujące niszczenie skał wybrzeża morskiego. Wyróżnia się dwa stadia rozwojowe tej erozji:

- młodociane w którym brzegi morskie stromo opadają w morze, a czynniki erozyjne działają bardzo intensywnie, prowadząc do utworzenia erozyjnego tarasu morskiego, który jest płaską powierzchnia przysypaną luźnym materiałem rumoszowym, zamkniętym od strony lądu stromą ścianą zwaną klifem.

- dojrzałe - które występuje po wytworzeniu się tarasu morskiego. Siła niszcząca fal zmniejsza się i nie są one w stanie usuwać z tarasu rumoszu skalnego tylko przesuwają go w stronę klifu. Erozyjna działalność morza może mieć również charakter twórczy: np proces wywołany ukośnym uderzeniem fali o brzeg i powoduje przemieszanie masy piasku w kierunku wschodnim, co prowadzi do powstania mierzei (jest to charakterystyczne dla Bałtyku).

Ablacja

Ablacja jest działaniem erozyjnym opadów deszczu, które łatwo erodują osady pylaste, tworząc okrągłe zagłębienia, które przy intensywnych opadach są rozmywane. Zjawisko to szczególnie łatwo można zauważyć na skarpach drogowych towarzyszą mu procesy osuwiskowe.

Ablacja utrudnia prowadzenie takich robót ziemnych jak:

Wykopy drogowe, odkrywki górnicze oraz wszelkie wykopy fundamentowe. Może także zapoczątkować procesy niszczące tych obiektów. W strefach klimatycznych w których występują nawalne deszcze - strugi wody mogą erodować nawet skały zwięzłe (Np. piaskowce).

Procesy ablacyjne mają charakter selektywny, polegający na wymywaniu najdrobniejszych frakcji, przez co działają niszcząco również na gleby uprawne.

Powierzchniowe ruchy masowe.

Ruchy te możemy podzielić na trzy grupy. Pierwszą z nich są spływy powstające wtedy gdy nastąpi nasycenie wodą warstw przypowierzchniowych, najczęściej gruntów gliniastych albo pylastych.

Możliwe jest wtedy przemieszczanie się grunt zamiennego w półpłynną masę spływającą w dół zbocza, o nawet stosunkowo niewielkim kącie nachylenia. Nasycenie gruntu wodą i spływy powstają w okresie roztopów albo po długotrwałych deszczach.

Do spływów zaliczamy także spełzywanie polegające na bardzo powolnym przemieszczaniu się gruntu pod wpływem siły ciężkości.

Drugą grupę stanowią zsuwy lub osuwiska. Występują wtedy przemieszczenia znacznych mas skalnych ze stosunkowo dużą prędkością. Zsuwy powstają najczęściej w skałach sfałdowanych w górach, a zwłaszcza jeżeli występują tam kolejno warstwy przepuszczające i nieprzepuszczające wodę. Przyczyną przemieszczania się materiału skalnego jest często podcięcie zbocza, co zmniejsza wartość sił podtrzymujących.

Osuwiska tego typu nazywamy konsekwentno- strukturalnymi. Dużym zagrożeniem w budownictwie mogą być także osuwiska sufozyjne. Polegają one na tym że woda wpływając do wykopu po stropie warstwy nieprzepuszczalnej może wynosić drobne cząstki gruntu. Powoduje to zwiększenie porowatości, a nawet powstawanie wolnych przestrzeni - kawern i co za tym idzie zmniejszenie wartości sił utrzymujących.

Trzecią grupą nazywamy obrywaniem. Jest to oderwanie się i osunięcie w dół mas skalnych ze znaczną prędkością. (do 150 m/s). ich warunkiem jest bardzo duży kąt nachylenia zbocza. W skałach litych i niektórych gruntach spoistych występują zbocza pionowe, a niekiedy nawet przewieszone. Podcięcie zboczy może nastąpić przez rzekę, lodowiec kipiel morską a wskutek zmniejszenia wartości tarcia, przeciążenia lub wstrząsów może nastąpić gwałtowne oberwanie się mas skalnych.

Ważnym zagadnieniem są czynniki powodujące:

Powierzchniowe ruchy masowe, do których możemy zaliczyć:

- fizyczno-geologiczne

- geologiczno-dynamiczne

- antropogeniczne

Jednym z najważniejszych czynników fizyczno - geologicznych jest woda, temperatura i wiatr których obecność ma decydujący wpływ na właściwości gruntów.

Do czynników antropogenicznych zaliczamy:

- powstawanie ciśnienia wody w porach

- uszkodzenia kanałów i przewodów

- obciążenia statyczne i dynamiczne

- zabiegi techniczne (iniekcja, kotwienie, wykopy, instalacje)

- uprawa roli

Do czynników geologiczno - dynamicznych zaliczamy:

- erozja wód powierzchniowych (rzeki, jeziora morza)

- wietrznie chemiczne (hydratacja, hydroliza, karbonatyzacja)

- wstrząsy sejsmiczne

- ruchy tektoniczne

- działanie biologiczne zwierząt, roślin i bakterii

Ogólne zasady obliczania stateczności zbocza

Główną siłą dążącą do zniwelowania zbocza jest siła ciężkości G - jej wartość wiąże się z wielkością nachylenia kąta nachylenia zbocza.

Przeciwstawia się tej sile G wytrzymałość gruntu

Utrata stateczności

Może nastąpić wtedy gdy wartość sił zsuwających przekroczy wartość sił utrzymujących.

Jako kryterium wytrzymałości gruntu przyjmuje się najczęściej równanie Coulomba:

Innym kryterium wytrzymałości gruntu stosowanym do skał zwięzłych jest kryterium Griffitha:

t²= 4T_o(T_o-σ)

Gdzie

t - naprężenie ścinające (Pa)

σ - naprężenie normalne (Pa)

T_o - wytrzymałość na jednoosiowe rozciągnięcia (Pa)

Uwzględniając pełzanie gruntów - nie możemy stoować kryteriów Coulomba i Griffitha ponieważ pełzające grunty zachowują się jak lepka ciesz i istnieje konieczność wykonywania….

W praktyce stosuje się kryterium Coulomba dla zsuwu konsekwentnego przy określaniu wartości współczynnika bezpieczeństwa jako ilorazu wartości sił utrzymujących do sił powodujących przesunięcie:

---