Вивітрювання гірських порід і основні його чинники

3.2. Вивітрювання гірських порід і основні його чинники.

Під процесами вивітрювання більшість дослідників розуміють сукупність фізичних, фізико-хімічних та біохімічних процесів, які змінюють склад, стан і властивості гірських порід у верхній частині земної кори під впливом коливань температури, підземних вод, діяльності організмів і техногенних факторів.

Процеси вивітрювання, руйнуючи гірські породи, формують новий генетичний тип континентальних відкладів – елювій різного віку, фацій і умов залягання. На всіх стадіях інженерно-геологічних досліджень і для різних видів будівництва вивчаються процеси розущільнення і вивітрювання порід і сформовані ними елювіальні утворення.

Основними питаннями в цьому напрямку є наступні:

1. 
   встановлення будови і закономірностей поширення зон і горизонтів вивітрювання в різних порідах і тектонічних розривах, на різних геоморфологічних елементах і в мікрокліматичних умовах;
   
2. 
   обгрунтування віку елювію і характеристика швидкостей процесів вивітрювання у порівнянні з інтенсивністю процесів знесення в різних породах і умовах, а також оцінка зміни властивостей і стану порід в часі під їхнім впливом;
   
3. 
   встановлення зовнішніх ознак і класифікаційних показників стану і властивостей порід з різним ступенем вивітрілості та виявлення кореляційних зв‘язків із геофізичними характеристиками (наприклад, зі швидкістю пружних хвиль);
   
4. 
   розробка регіональної схеми розчленування кори вивітрювання на зони і горизонти з характеристикою фізико-механічних і фільтраційних властивостей порід;
   
5. 
   виявлення приуроченості зсувів, обвалів, осувань різних типів і об‘ємів до зон вивітрювання різного віку, будови і потужності;
   
6. 
   оцінка порід різного ступеня вивітрілості стосовно їх опору ерозійному і абразійному розмиванню, розвитку процесів вилуговування і карсту, осипанню, спливанню і стійкості у відслонених укосах і схилах;
   
7. 
   на підставі детального інженерно-геологічного вивчення розрізу кори вивітрювання оцінка деформаційних властивостей по різному вивітрілих порід. Це необхідно для визначення глибини їх зняття в основі споруд або для вибору заходів укріплення різними методами;
   
8. 
   встановлення можливості використання по різному вивітрілих порід як будівельних матеріалів при зведенні земляних споруд (дамб, гребель, насипів), для створення протифільтраційних завіс.
   

Коливання температури обумовлює ряд фізичних процесів, що впливають на фізико-механічні властивості гірських порід: теплова зміна об‘єму мінералів і гірських порід, а також води і газів, що містяться у породах; випаровування і конденсація вологи; прискорення або уповільнення хімічних реакцій.

При нагріванні мінерали і породи змінюють свій об‘єм. Величина зміни об‘єму при нагріванні неоднакова не лише у різних порід і мінералів, але й у одного і того ж мінерала вздовж різних кристалографічних осей. В зв‘язку з цим у полімінеральній гірській породі, особливо на межі стикання окремих мінералів, величина розширення буде неоднаковою у різних точках моноліту. Тому породи, які складаються з багатьох мінералів, виявляють менший опір температурному впливу і легше розпадаються на окремі мінерали.

Вода, що замерзає, завдяки збільшенню об‘єму створює розклинюючий тиск як між окремими брилами, так і між елементарними частками породи: руйнує структуру породи, збільшує в ній вміст дрібних часток, зменшує її міцність, знижує несучу здатність і змінює фільтраційні властивості.

При випаровуванні вологи (висушуванні) відбувається розтріскування рихлих гірських порід через усідання (зменшення об‘єму). Випаровування вологи у посушливих безстічних районах викликає засолення верхніх зон земної кори. Це надає породам специфічних фізико-хімічних властивостей (солончаки, солонці, інкрустація пор і т. ін.).

Склад атмосфери досить різноманітний, але з усіх її складових найбільшу роль у процесах вивітрювання відіграє кисень. Окислювально-відновні процеси за участю кисню викликають різноманітні зміни гірських порід. Найпоширеніший у природі процес – окислення вуглецю з утворенням вуглекислоти (під час дихання організмів і гниття вуглецевих речовин). Вуглекислота в підземних водах збільшує їхню розчинну здатність, сприяючи більш інтенсивному розчиненню мінералів і гірських порід.

Складний процес взаємодії між гірськими породами і газоподібними агрегатами вивітрювання призводить до утворення нових мінеральних сполук (вторинні мінерали або мінерали вивітрювання). Таких мінералів досить багато і всі їх можна розділити на 3 групи:

• 
  розчинні у воді (гіпс, кальцит);
  
• 
  нерозчинні у воді (монтморилоніт, каолініт, серицит, галуазит, опал, лимоніт, боксит і т.п.);
  
• 
  різні органічні сполуки.
  

Підземна вода є своєрідним регулятором тепла, а також потужним механічним руйнівником, що обумовлює процеси суфозії і кольматації. Вода, особливо слабко мінералізована, проникаючи в гірські породи, розчиняє їх, створює розклинюючу дію, понижує концентрацію електролітів у підземних водах, а отже, призводить до пом‘якшення колоїдних плівок, що огортають частки гірських порід.

Велику роль у вивітрюванні відіграють живі організми. Вони справляють як хімічний, так і механічний вплив на гірські породи. Механічну дію виконує коренева система рослин (розклинювання) і різноманітні землерийні тварини. Крім цього, органічні речовини, що виділяються живими організмами, або розкладають гірські породи, або ж збагачують їх різними речовинами (наприклад: порода, перероблена черв’ячками, збагачується на вапно – карбонатні сполуки).

Всі зміни, що їх зазнають породи у процесі вивітрювання, можна об‘єднати в наступні основні групи:

1. 
   подрібнення порід;
   
2. 
   цементація порід;
   
3. 
   розкладення первинних мінералів;
   
4. 
   утворення вторинних мінералів;
   
5. 
   зволоження або висушування порід.
   

Проникнення агентів вивітрювання у земну кору може відбуватися наступним чином:

1. 
   по пустотах, які є в гірських породах;
   
2. 
   безпосередньо по мінеральних складових гірських порід;
   
3. 
   по пустотах і мінеральних тілах одночасно.
   

Іншим шляхом, по якому агенти вивітрювання проникають в земну кору, як було сказано вище, є мінеральні складові гірських порід. Зазвичай цим шляхом у гірські породи проникає сонячне тепло.

Вплив температурних коливань на гірські породи залежить від кліматичних умов місцевості, залягання порід, їх мінерального складу; ступеня, характеру і напрямку тріщинуватості та розсланцювання, обводненості та ін. Залежно від вказаних факторів, добові коливання температури можуть позначатися на глибині від декількох сантиметрів до приблизно 1 м. Річні коливання у деяких випадках відчутні на глибину до 30 м. Зміни гірських порід, пов‘язані з коливанням температури, яскраво проявляються у зоні добових коливань температури, затухаючи з глибиною.

Проникнення в земну кору газів залежить від умов залягання порід, їх складу, тиску, зміни температури, дифузії, вологості та ін. Спостереження показують, що у некапілярні та капілярні пустоти гази можуть проникати на глибину до сотень метрів. В субкапілярні пустоти проникнення газів можливе за рахунок дифузії, і то на глибину всього декількох сантиметрів.

Вода, як відомо, проникає в земну кору на значні глибини. Живі організми проявляють свою активність на різних глибинах: коренева система рослин до глибини 30 см, частіше в межах декількох метрів, так само, як і землерийні тварини. Що стосується мікроорганізмів, то за наявності поживного середовища і сприятливих умов вони можуть проявляти свою життєдіяльність на глибинах, що перевищують 1000 м.

Слід зазначити, що в цілому вивітрювання порід відбувається на незначну глибину, приблизно до 10-15 м. Однак інколи доводиться спостерігати продукти вивітрювання порід на глибинах більше 100 м. З одного боку, такі глибокозалягаючі продукти вивітрювання можуть належати до древніх, пізніше (після їх утворення) перекритих іншими осадками. Такі кори вивітрювання можна зустріти на будь-яких глибинах, причому в більшості випадків процес вивітрювання цих порід зупинився, тому що породи, які залягають вище, ізолювали їх від агентів вивітрювання. Однак процес вивітрювання древніх кор може поновитися, якщо будуть зняті породи, що залягають вище, і доступ агентів вивітрювання до древніх кор буде відновлений.

З іншого боку, на значній глибині можуть перебувати і сучасні продукти вивітрювання внаслідок проникнення агентів вивітрювання на великі глибини.

У ряді випадків практичний інтерес становить визначення швидкості вивітрювання порід і допустимих термінів залишення у відкритому стані будівельних котлованів і виїмок без застосування заходів захисту порід від вивітрювання. Довгий час було поширеним переконання, що вивітрювання гірських порід на відчутну для проектної споруди глибину відбувається в строки, які перевищують життя самої споруди. Однак досвід показує, що вивітрювання може протікати значно швидше. Наприклад, свіжі майкопські глини в укосі однієї з ділянок вивітрювалися на значну глибину і перетворювалися на жорству протягом декількох місяців, а подрібнення тих же глин на глибину 5-10 см відбувалося протягом декількох днів. Глини й пісковики апшеронського віку протягом одного місяця вивітрювалися і змінювали свої властивості на глибину 6-8 см, протягом п‘яти місяців – на глибину 60-70 см, а за півтора роки – до 3 м. Крейдяні глинисті породи Поволжя (юрського віку) протягом року вивітрюються на глибину до 5,5 м. Тому вивчення швидкості вивітрювання під час будівництва споруд має дуже важливе значення.

1. 
   конструктивні особливості і специфічні умови роботи споруди, яка проектується;
   
2. 
   економічні розрахунки;
   
3. 
   фізико-механічні властивості порід у різних зонах вивітрювання;
   
4. 
   швидкість процесів вивітрювання;
   
5. 
   характер і поширення вивітрювання по площі і на глибину.
   

Основний результат процесу вивітрювання – це зміна ступеню подрібненості гірських порід, їх хіміко-мінерального стану і структури. Залежно від цих чинників різко змінюються і фізико-механічні властивості порід. Тому вони кладуться в основу оцінки необхідності зняття вивітрілих товщ. Для цього рекомендується розчленувати товщу вивітрілих порід на зони, в межах яких породи мали б характерні фізико-механічні властивості. Потім, оцінюючи ці властивості стосовно специфічних умов роботи споруди, можна визначити необхідність зняття тієї чи іншої зони вивітрилих порід.

М.В.Коломенський та І.С.Комаров пропонують користуватися наступною схемою розчленування товщі вивітрілих гірських порід (знизу вгору).

1. 
   Монолітна зона. Ця зона відповідає такому стану материнських порід, коли вони ще не мають видимих ознак подрібненості, але вже зазнали розхитування зв‘язків між частками під впливом агентів вивітрювання. Порода цієї зони за зовнішнім виглядом не відрізняється від неушкоджених материнських порід, але легко розколюється по прихованих площинах. Фізико-механічні властивості породи на цій стадії вивітрювання майже не відрізняються від властивостей материнської породи, за виключенням послабленого опору зсуву і стисканню.
   

2. 
   Зерниста (дрібноуламкова) зона. Зовнішній вигляд породи на цій стадії не має нічого спільного з виглядом материнської породи. Вона вся складається з дрібних уламків чи навіть окремих зерен. Шматки материнської породи розсипаються від дотику і складаються переважно з мінералів материнської породи, часто з великим вмістом мінералів вивітрювання. Інколи, наприклад при вивітрюванні пісковиків, вторинні розчинні солі, що є цементуючою речовиною, виносяться, і утворюється пісок. Фільтраційна здатність порід цієї зони у порівнянні з бриловою сильно знижується (до декількох метрів на добу); продовжує знижуватися опір зсуву і стисканню.
   
3. 
   Зона тонкого подрібнення. Породи цієї зони характеризуються високим ступенем подрібнення. Складається вона переважно з мінералів вивітрювання, первинні мінерали тонко подрібнені і є домішками до вторинних. Коефіцієнт фільтрації практично дорівнює нулю (тисячні долі сантиметра на добу). Стисливість різко збільшується, опір зсуву зменшується. Порода набуває нових властивостей (пластичність, набрякання тощо).
   

Треба мати на увазі, що не обов‘язково у межах одного розрізу чи навіть району повинні бути розвинені всі вказані зони вивітрювання порід. Наприклад, вилуговування цементуючої речовини пісковика може привести до утворення піщаної маси, характерної для зернистої зони, обминаючи монолітну і брилову. Крім того, частина порід розрізу може здуватися вітром, відноситися водою, осипатися під дією сили тяжіння, і тому розріз може починатися з порід, характерних для зон, що залягають нижче.

Під час вивчення вивітрілих порід необхідно оцінити хіміко-мінеральний склад материнської породи і продуктів її вивітрювання. Особливу увагу при цьому слід звертати на характеристику водорозчинних солей і склад глинистих мінералів. Склад, розподіл і кількість водорозчинних солей відіграватимуть істотну роль у випадку, якщо в процесі спорудження чи експлуатації будови в породи проникатиме вода. Наявність, склад, кількість і розподіл глинистих мінералів у значній мірі визначають фізико-механічні властивості порід і повинні оцінюватися залежно від особливостей майбутньої споруди.

Завданням геолога в цьому випадку є визначення глибини знімання порід. Часто, однак, немає необхідності видаляти зчеплені вивітрюванням породи. Треба знімати тільки породи, фізико-механічні властивості яких змінені вивітрюванням настільки, що вони становлять загрозу для стійкості споруди. В цьому випадку для визначення глибини знімання порід доцільно керуватися ступенем подрібнення порід і вмістом у них водорозчинних солей.

Якщо з точки зору подрібненості порода задовольняє умовам зведення споруди, а інші ознаки вивітрювання відсутні, то вона може бути нижньою межею знімання вивітрлих порід. Для різних видів будівництва глибина знімання порід буде мінятися, тому що для різних споруд припустимий неоднаковий ступінь подрібнення порід.

Треба мати на увазі, що знімання вивітрілих порід є досить трудомістким і тривалим процесом і не завжди потрібно прагнути до повного видалення тріщинуватих порід. У ряді випадків тріщини можуть бути зацементовані, забітуміновані, заглинизовані.

Становище дещо змінюється, коли в породі є водорозчинні солі. При зведенні гідротехнічних споруд, зв‘язаних з фільтрацією води, ця особливість повинна бути вивчена та оцінена з точки зору можливості вимивання з порід водорозчинних солей. Якщо вміст солей незначний (десятки долей відсотка) і їх видалення не викликає істотної зміни фізико-механічних властивостей порід, то покрівля цієї породи також може служити нижньою межею глибини знімання вивітрілих порід.

Завчасно для всіх видів будівництва і для всіх інженерно-геологічних умов не можна дати єдиного показника, який визначає глибину знімання вивітрілих порід. Втановленню цєї глибини повинна передувати детальна оцінка інженерно-геологічних умов зведення споруд з урахуванням їх виду і конструктивних особливостей.

1. 
   вибору сприятливих ділянок для розташування споруд;
   
2. 
   встановлення безпечного (з точки зору зміни порід у процесі вивітрювання) терміну залишення відкритими котлованів і виїмок;
   
3. 
   визначення потужності захисного шару, який залишається над проектними позначками дна котловану;
   
4. 
   встановлення товщини і характеру захисних покриттів для захисту порід від вивітрювання;
   
5. 
   визначення категорій порід за ступенем роздробленості; вибір умов і способів виконання робіт у котлованах і виїмках;
   
6. 
   розробка профілактичних заходів боротьби з вивітрюванням гірських порід на ділянках споруд.
   

1. 
   Опис загальних ознак вивітрювання гірських порід і виділення характерних зон вивітрювання.
   
2. 
   Спостереження за швидкістю процесів вивітрювання; ці спостереження виконуються тільки після встановлення характеру і зон вивітрювання з тим, щоб раціонально запланувати види аналізів і місця відбору проб.
   
3. 
   Польові спостереження і лабораторні дослідження, необхідні для визначення глибини знімання вивітрилих порід.
   
4. 
   Спостереження, що мають на меті вибір характеру і потужності захисних покриттів.
   

Необхідність того чи іншого виду досліджень визначається у кожному конкретному випадку, з урахуванням інженерно-геологічних умов, типу споруди, терміну залишення порід у відкритому стані.

4. 
   Зовнішні ознаки вивітрювання порід та їх опис.
   

Складні процеси вивітрювання завжди ведуть до більш-менш істотної зміни зовнішнього вигляду гірських порід. Кожний з агентів вивітрювання залишає свої сліди впливу, за якими можна відновити історію процесів, що протікали в породі. Тому опис гірських порід під час вивчення процесів повинен бути детальним і всебічним.

До найбільш важливих зовнішніх ознак вивітрювання можна віднести: 1) колір і відтінок породи, 2) ступінь і характер її подрібненості, 3) мінеральний склад і 4) механічну міцність.

Як уже говорилося, процеси вивітрювання призводять до глибоких змін у складі гірських порід і утворення нових мінералів. Всяка зміна мінерального складу породи позначається перш за все на її забарвленні. У вивітрілих порід забарвлення змінюється зовсім, або ж набуває нових відтінків, зовсім невластивих породі у невивітрілому стані.

Під час опису породи в першу чергу фіксується її загальне забарвлення у сухому та вологому стані; описується зміна кольору і відтінку з глибиною, починаючи від денної поверхні; відмічається приуроченість того чи іншого кольору і відтінку до окремих прошарків породи; вказується наявність плям, патьоків і крапкового забарвлення. Слід звернути увагу на забарвлення поверхні і внутрішніх частин породи (декілька зразків розбиваються і описується характер зміни кольору від поверхні до центру зразка). Для опису кольору породи необхідно розбти і оглянути не один, а два-три десятки (!) на перший погляд однакових зразків, щоб цей опис відповідав не випадковому зразку, а породі в цілому. Опис кольору необхідно супроводжувати зарисовками, фарбуючи їх відповідно природним кольорам, або фотографіями.

Ступінь подрібненості породи за рахунок вивітрювання можна оцінювати за такою залежністю (С.Д.Воронкевич):

де Е_в – коефіцієнт пористості вивітрілої породи;

Під час опису виділяються зони вивітрювання. Основною ознакою їх виділення є розмір і форма уламків і блоків, на які розбита порода, а також характер тріщин, якими вона розбита. Тому під час вивчення ступеня подрібненості слід детально описувати як уламки, що складають породу, так і тріщини, які її розбивають, по можливості вказуючи їх генезис. Описуючи блоки, уламки і шматки, слід відмітити їх склад, розміри, форму, взаємне розташування.

Процеси вивітрювання найчастіше проявляються у викритті і розширенні вже існуючих у породі тріщин і в утворенні нових тріщин вивітрювання. Вивчення ступеня розкриття тріщин в результаті вивітрювання слід починати зі встановлення системи тріщинуватості, розмірів тріщин і характеру їх заповнення в незачеплених вивітрюванням породах, тому що у верхній частині розрізу ця система ускладнюється появою сітки тріщин вивітрювання.

Слід звернути увагу і нарозподіл у породі інших пустот (каверн, жеод, каналів, пор) та відзначити їх форму, характер, приуроченість до певного складу порід, включень, певних умов залягання.

Зміна мінерального складу породи в результаті вивітрювання проявляється перш за все у зміні складу алюмосилікатної частини породи, а саме: первинні алюмосилікати (польові шпати, авгіти, рогові обманки та ін.) переходять у вторинні (каолініт, монтморилоніт, ілліт та ін.). Вторинні алюмосилікати утворюються в тонкоподрібненому (до колоїдного) стані і надають вивітрілій породі характерного глинистого вигляду.

Перехід первинних алюмосилікатів у вторинні супроводжується видаленням із породи деяких елементів, в першу чергу лужних і лужноземельних металів і утворенням із них нових простих мінералів, як розчинних, так і нерозчинних у воді. Серед новоутворених водорозчинних мінералів зустрічаються гіпс, карбонати кальцію і магнію; серед нерозчинних – водні окисли заліза, що забарвлюють породу в жовті й бурі тони.

Зміни мінерального складу можна спостерігати при вивітрюванні вивержених, особливо великозернистих порід, первинні мінерали яких легко вивітрюються. Зміни у складі осадочних (зокрема, глинистих) порід менш помітні. Одна з характерних ознак – вивітріла частина порід часто насичена гіпсом і водними окислами заліза.

Зміна внутрішніх зв‘язків у породі в процесі вивітрювання призводить до зменшення її механічної міцності, до пониження опору породи зовнішнім зусиллям, що на неї впливають. Тому треба визначати також міцність породи за такими ознаками: 1) важко розколюється молотком; 2) розламується руками; 3) розламується пальцями; 4) розсипається від легкого дотику. Під час польового випробування міцності порід слід описувати характер частин, на які розпадається порода, їх форму, розміри, характер поверхні, колір і т.п.

Крім основних ознак вивітрювання, треба відзначити додаткові, наприклад, вологість, міцність, пластичність і т.п.

Пластичність встановлюється шляхом розкачування шматка породи в джгут і класифікується наступним чином: 1) порода в джгут не розкачується; 2) порода розкочується в товстий (тонкий) джгут; 3) джгут згинається в кільце без розриву цільності і без утворення тріщин.

Слід особливо уважно вивчати розподіл і склад живих організмів на поверхні і всередині гірської породи. Необхідно описувати характер поширення (плямами, суцільним покривом і т.п.) і проникнення вглиб породи (по тріщинах, порах) нижчої (лишайники, гриби, мхи) і вищої рослинності. Вказують на її приуроченість до певних порід чи до орієнтації схилів, на розвиток кореневої системи, руйнування поверхні гірських порід і т. ін. Тут необхідна консультація біолога.

Під час опису ознак вивітрювання повинні складатися наступні основні польові документи:

1. 
   геолого-літологічна карта з зображенням рельєфу в горизонталях, на яку наносять точки обстеження;
   
2. 
   польовий журнал;
   
3. 
   колонки вивчених розрізів.
   

Умови залягання порід також впливають на визначення кількості і глибини виробок. Наприклад, при горизонтальному заляганні порід виробки, за інших рівних умов, можуть розташовуватися на порівняно великій відстані одна від одної. При похилому заляганні порід, особливо різних за літологічним складом, кількість виробок повинна бути збільшена, їх глибина в останньому випадку буде різною, тому що за таких умов нижня межа вивітрілих порід буде неоднаковою.

З метою вивчення швидкості процесів вивітрювання описується потужність вивітрілої зони і характер вивітрювання у штучних відслоненнях порід (укосах, виїмках, шурфах, штольнях). Час викриття таких виробок повинен бути відомим. Проводяться тривалі спостереження над вивітрюванням порід у свіжих штучних відслоненнях.

Визначення швидкості вивітрювання гірських порід в існуючих штучних відслоненнях виконується наступним чином:

4. 
   Оглідаються всі штучні відслонення порід в районі досліджень, а в деяких випадках і за його межами. Відслонення наносяться на карту і нумеруються; описуються місця їх розташування (елемент рельєфу, орієнтування і крутизна схилу, залісненість і т.д.).
   
5. 
   Для вісх оглянутих штучних відслонень з найбільш можливою точністю встановлюються дати їхного викриття. Якщо ці дати для району досліджень виявляються близькими одна до одної, то необхідно відшукати в прилеглих районах штучні відслонення тих же порід, але викритих в інший час. Найбільш сприятливим буде випадок, якщо вдасться відшукати такі відслонення, строки розкриття яких відрізняються на декілька місяців, а всі разом вони охоплюють 15-20 років до поточного року.
   
6. 
   Для кожного обраного пункту описуються ознаки вивітрювання, відбираються зразки для лабораторних випробувань і визначається потужність вивітрілої зони (робляться розчистки).
   
7. 
   Одночасно вивчаються кліматичні умови (кількість опадів, коливання температури) і описуються кліматичні явища (сильні зливи, урагани і т.п.). Ці явища систематизуються по періодах, що охоплюють проміжки між датами викриття зареєстрованих штучних відслонень. Отримані дані дозволяють пояснити розбіжності в інтенсивності і характері вивітрювання одних і тих же порід, викритих в різний час.
   

Цілком природно, що визначенні по різних відслоненнях значення швидкості вивітрювання порід будуть відрізнятися один від одного, тому що ці відслонення можуть перебувати в різних умовах. В цьому випадку слід надавати перевагу даним, отриманим по штучних відслоненнях, умови яких є близькими до умов, в яких перебуватиме порода при взаємодії зі спорудою.

Інколи в процесі досліджень можна зустрітися з різними явищами, які ускладнюють чи роблять неможливим подальше спостереження за швидкістю вивітрювання порід в якому-небудь відслоненні. До таких явищ належать: змивання порід зі схилу, штучна очистка укосів і виїмок, обрушення і т.п. Якщо врахувати ці явища не можна, то вивчення відслонення припиняється.

Визначення швидкості вивітрювання порід у спеціально закладених виробках вимагає виконання гірничих робіт і значних витрат часу. Таке визначення застосовується у випадках, коли необхідно визначити характер і потужність захисних покриттів і ціликів, а також, якщо неможливо використати перший метод. Цей метод полягає в наступному:

1. 
   Виконують розчистку природних відслонень або викопують спеціальні котловани до незачеплених вивітрюванням порід. Кожна така виробка є пунктом довготривалого спостереження за процесом вивітрювання.
   

3.Проходка всіх виробок в межах району будівництва по можливості ведеться й закінчується одночасно; періодичне їх описування також виконується одночасно.

4. 
   На кожному пункті спостережень описуються ознаки вивітрювання, відбираються зразки для лабораторних досліджень і визначається потужність вивітрілої зони шляхом розкопування частини відслонення.
   

Перед кожним наступним спостереженням дається опис метеорологічних явищ, що мали місце в період між спостереженнями.

Найбільш складним є виявлення переважаючих в даних умовах агентів вивітрювання. Їх можна визначити шляхом: 1) порівняння ознак вивітрювання; 2) виконання спеціальних дослідів і спостережень у котлованах.

Патьоки, тонкі частки, замитість у тріщинах свідчать про проникнення в породу атмосферної вологи; на це ж вказуватиме нерівномірний розподіл по розрізу водорозчинних солей: наявність у верхній частині розрізу і відсутність у нижній.

Окисні форми залізистих сполук свідчать про участь кисню в процесах вивітрювання, закисні – про те, що кисень в цих процесах не брав участі. За цими ознаками можна вирішити, чи проник кисень у породу разом з водою, чи попав в неї без води і т.п.

Вивчаючи таким чином ознаки вивітрювання і порівнюючи їх, можна встановити, які агенти вивітрювання відігравали провідну роль в даних умовах і в якому стані (рідкому, газоподібному і т.п.) вони перебували в момент взаємодії з гірськими породами.

Спеціальні досліди і спостереження для визначення переважаючих агентів вивітрювання можуть виконуватися у відкритих до невивітрілих порід котлованах. Форма і розміри котловану можуть бути різними в залежності від рельєфу, глибини і умов залягання порід. Викрита в котловані порода описується за вказаною раніше схемою.

На дні котловану виділяються декілька площадок певного розміру. Кожна з цих площадок захищається відповідним покриттям від однієї чи кількох груп можливих агентів вивітрювання з таким розрахунком, щоб можна було прослідкувати вплив кожного з них на породи. Одна чи дві площадки залишаються без покриття.

Періодично частина покриття на кожній площадці розкривається закопушкою до невивітрілої породи. Вивітріла порода описується по вищенаведеній схемі, з неї відбираються зразки для лабораторних досліджень. Після цього закопушка закидається вибраною породою і знову вкривається відповідним покриттям. Інколи для захисту порід від вивітрювання доцільно залишати над ними цілики з тих же порід. В цьому випадку глибину будівельних котлованів не доводять до проектних позначок. Потужність ціликів дорівнює потужності зони вивітрювання, яка утворюється протягом певного часу (наприклад, протягом часу, на який котлован залишається у відкритому стані). Безпосередньо перед початком будівництва цілики знімають.

Повний комплекс виконується для детальної характеристики опорних зразків основних типів порід, що беруться з невивітрілої і вивітрілої частини розрізу. У повний комплекс лабораторних визначень входять: хіміко-мінералогічні і петрографічні визначення; гранулометричний склад, щільність, пористість, вологість, межі пластичності, розмокання, набрякання; закипання з HCl, випробування на стиснення, на зсув, коефіцієнт фільтрації.

Для скороченого комплексу лабораторних робіт з кожної зони вивітрювання відбираються по 2 зразки, причому один із них є контрольним. Скорочений комплекс є основним при лабораторному вивченні процесів вивітрювання для інженерно-геологічних цілей.

До скороченого комплексу входять лише частина хіміко-мінералогічних і одне петрографічне визначення (опис шліфів); вологість, пластичність, розмокання; закипання з HCl; зсувні випробування, роздавлювання.

Перший додатковий комплекс визначень рекомендовано виконувати для встановлення глибини знімання вивітрілих порід. До цього комплексу входять: випробування на зсув, на стисливість, визначення коефіцієнта фільтрації. Другий додатковий комплекс виконується при вивченні формування укосів. Сюди входять випробування на зсув та роздавлювання. Крім вказаних, рекомендується робити мікробіологічний аналіз для декількох характерних зразків.

Для проб води підземних вод, а також проб із природних і штучних водойм рекомендується повний хімічний аналіз.

1. 
   покриття гірських порід непроникними для агентів вивітрювання матеріалами;
   
2. 
   промочування порід різними речовинами;
   
3. 
   штучна нейтралізація агентів вивітрювання;
   
4. 
   планування територій і відведення води.
   

Найкращим матеріалом для покриття є суглинок, тому що він має майже універсальні захисні властивості. Якщо укласти його шаром достатньої потужності, то він не пропустить ні рідких, ні газоподібних агентів вивітрювання і погасить найрізкіші коливання температури. Крім того, суглинок, що складається з продуктів, властивих більш пізнім стадіям вивітрювання, мало піддається руйнуванню. Добрі захисні властивості має бетон, але це, по-перше, вартісний матеріал, а по-друге, й сам може змінюватися під впливом вивітрювання. Пісок може захищати породи від впливу коливань температури, але не може затримати проникнення рідких і газоподібних агентів вивітрювання. Тому його недоцільно застосовувати в районах, де фізичне вивітрювання переважає над хімічним. Бітум захищає породу від проникнення агентів вивітрювання, але не в змозі протистояти коливанням температури.

Матеріали і потужність захисного покриття залежать також від зміни умов вивітрювання під впливом споруди, а також від терміну служби захисного покриття. Наприклад, якщо в будівельний котлован буде потрапляти вода і він буде перебувати у відкритому стані недовго (кілька десятків днів), то захисним покриттям може бути бетон, гудрон або глина, укладені тонким шаром. Але якщо котлован буде відкритим довгий час (кілька років), то до агентів вивітрювання додаються сезонні і річні коливання температури порід. В таких випадках слід або збільшити товщину покриття, або застосувати теплоізоляційний матеріал.

До цієї ж групи заходів боротьби з вивітрюванням гірських порід слід віднести і тимчасове залишення шару порід, які знімаються. Тобто це є свідомим недоведенням дна котлованів і виїмок до проектної глибини. Шар, що залишився, знімається безпосередньо перед початком будівельних робіт.

В якості промочувальних речовин можуть використовуватися: розчинне (рідке) скло, гудрон та ін. Застосування більшості промочувальних речовин обмежене різними умовами. Наприклад, введення в породу рідкого скла лімітується фільтраційними властивостями породи; гарячого бітуму – фільтраційними властивостями породи і необхідністю при низьких коефіцієнтах фільтрації досить високого тиску (1,2 – 1,4 МПа). Такий тиск може зруйнувати породу або відтиснути її в боки. Бітуми з малою проникністю дають гарні результати у скельних породах з великими пустотами. Бітуми з більшою проникністю можна використовувати для заповнення тонких тріщин у скельних породах. Бітумізації піддаються також щебнясто-галькові породи. У піщано-глинистих породах бітуми не застосовуються.

Цементування використовують у тріщинуватих і гравелистих породах, великозернистих породах. У глинах і дрібнозернистих пісках бетон погано поширюється.

Інколи застосовують глинисту суспензію, якою заливають гравелисті породи, що вивітрюються (переважно для зменшення фільтраційних властивостей). Наприклад, при заливанні піску, який має різну пористість, суспензією (5 г сухого делювіального суглинка на 1 л води) виявилося, що при пористості 34% кофіцієнт фільтрації зменшився у 20 разів, а при пористості 29% - у 100 разів.

До методів нейтралізації агентів вивітрювання належить додавання у воду, яка фільтрується через породу, солей з метою зменшення її розчинної здатності. Але цей спосіб досить дорогий і вимагає спеціального обладнання.

До заходів боротьби з вивітрюванням гірських порід належить і відведення поверхневих та підземних вод. Це планування і вистеляння (брукування) територій, влаштування нагірних канав, зливостоків і т.п. Гравітаційні підземні води перехоплюються дренажними галереями, поглинаючими колодязями, штучними завісами (заморожування, гудронування, цементація, силікатизація і т.п.).
Запитання для самоконтролю.

1. 
   Що називається процесом вивітрювання?
   
2. 
   За якими напрямками вивчається вивітрювання гірських порід під час інженерно-геологічних досліджень?
   
3. 
   Дайте характеристику основним чинникам вивітрювання.
   
4. 
   Які мінерали утворюються в гірських породах внаслідок вивітрювання?
   
5. 
   Яким змінам піддаються гірські породи внаслідок вивітрювання?
   
6. 
   Назвіть шляхи проникнення чинників вивітрювання в гірські породи.
   
7. 
   Як поділяються пустоти в гірських породах за розмірами?
   
8. 
   Охарактеризуйте зональність вивітрілих гірських порід (за М.В.Коломенським та І.С. Комаровим).
   
9. 
   Для чого вивчається вивітрювання під час інженерно-геологічних досліджень?
   
10. 
    Якими є зовнішні ознаки вивітрювання гірських порід?
    
11. 
    Як вивчається швидкість вивітрювання гірських порід?
    
12. 
    Назвіть лабораторні методи вивчення вивітрілих гірських порід.
    
13. 
    Якими є заходи протидії вивітрюванню гірських порід?