3. Powierzchniowe ruchy masowe.pdf

Rozdział III

POWIERZCHNIOWE RUCHY MASOWE

Przyczyny ruchów masowych. Erozja i wietrzenie zakłócają równo

wagę utworów geologicznych, występujących na powierzchni. Wy

obraźmy sobie jako najprostszy przypadek płytę litych utworów skal

nych, leżącą poziomo, która ulega wietrzeniu i równoczesnemu rozci

naniu przez rzekę. Erozja rzeki wytworzy zbocze o pewnej pochyłości;

w miarę zwiększania się tej pochyłości warstwy skalne, tracąc z jednej

strony podporę przez usunięcie skał z obszaru wyciętej doliny, znajdą

się w położeniu niezrównoważonym i pod wpływem siły ciężkości mogą

się zsunąć. Im bardziej są one zwięzłe, tym większego kąta pochyłości

będą wymagały, aby się osunąć; im bardziej są luźne, tym łatwiej przy

mniejszej pochyłości mogą ulec osunięciu. Wietrzenie rozluźnia skały

i dlatego ułatwia osuwanie się ich przy względnie małych kątach.

Sposoby i rodzaje osuwania się są różne; mogą się osuwać tylko

produkty wietrzenia, ale mogą też osuwać się wielkie partie litych skał.

Ruch może się odbywać w ten sposób, że każde ziarno z osobna wyko

nuje ruch przez ślizganie się lub rotację, albo też cała masa utworu prze

suwa się wzdłuż jednej lub kilku płaszczyzn. Między tymi dwoma skraj

nymi przypadkami istnieją pośrednie, mieszane formy ruchu. Osuwa

nie może być powolne, niedostrzegalne i trwać latami, a może odbyć się

w ciągu kilku minut w sposób gwałtowny. Może ono obejmować tylko

cienką warstwę przypowierzchniową, ale może nieraz sięgać głęboko

w zbocza doliny i obejmować utwory miąższe na dziesiątki, a nawet

setki metrów. Ruch powierzchniowy mas odbywa się tylko na pochy

łości, nigdy zaś nie zaznacza się na poziomych powierzchniach.

Główną przyczyną wywołującą powierzchniowy ruch mas skalnych

jest siła ciężkości, ale warunki, w których ta siła może działać, powstają

w różny sposób: może to być podcięcie zbocza przez erozję, albo głębo

kie zwietrzenie i rozluźnienie warstw tworzących zbocze lub przecią

żenie zbocza przez opady deszczowe albo śnieg. Często wszystkie te

czynniki współdziałają. Mogą też działać tu takie czynniki, jak wstrząsy

pochodzące od trzęsienia ziemi.

Ruchy osuwiskowe, wywołane naturalnymi lub sztucznymi czynni

kami, mają duże znaczenie dla gospodarki człowieka. Skutki osunięć

gruntu mogą być katastrofalne; przy pracach inżynierskich podcięcie

lub nadmierne obciążenie zboczy może wywołać niepożądane skutki,

zagrażające konstrukcjom inżynierskim lub wymagające kosztownych

prac, mających na celu zabezpieczenie obiektów przed dalszymi ru

chami.

149

Przez osuwanie się utworów skalnych zostają one rozkruszone, po

łamane, strzaskane lub nawet sfałdowane. Produkty ruchów osuwisko

wych określane są jako k o 1 u w i a (ryc. 67).

Wpływ wody na konsystencję skał. Własności skał zmieniają się, gdy

zostaną one przepojone wodą. Dotyczy to w większym stopniu utwo

rów luźnych lub na pół zwartych, jak piasków, iłów, glin, łupków, kru

chych piaskowców, margli itd., aniżeli utworów zwięzłych. Zmiana wła

sności wpływa na zachowanie się tych utworów względem ciśnienia,

Ryc. 67. Koluwium. Język osuwiska wchodzący w rzekę San (fot. autor)

co ma duże znaczenie dla tworzenia się osuwisk oraz dla budowli i kon

strukcji inżynierskich (zapór, wałów itd.) stawianych na utworach po

datnych na wpływy wody gruntowej lub zaskórnej. Zagadnieniami tymi

zajmuje się osobna gałąź nauki zwana mechaniką gruntu, sto

jąca na pograniczu geologii i inżynierii.

Zachowanie się gruntów luźnych w dużym stopniu zależy od kohezji

i tarcia wewnętrznego.

Kohezja jest to właściwość, dzięki której cząstki utworów są ze

sobą związane. Tylko wyjątkowo skały luźne nie posiadają żadnej ko

hezji. Zwykle, gdy cząstki są dostatecznie drobne, przylegają one wza

jemnie do siebie wskutek działania sił międzycząsteczkowych; między

nimi znajdują się drobniejsze, często koloidalne cząstki, które działają

zlepiająco; trzecim czynnikiem powodującym kohezję jest kapilarne, po

wierzchniowe napięcie pomiędzy błonkami wody a otaczanymi przez

nie ziarnami i cząstkami utworów luźnych. Widać z tego, że kohezja

składa się z trzech elementów — przyciągania międzycząsteczlkowego,

koloidów i sił kapilarnych. Element trzeci zależny jest od stosunku

utworu luźnego do wody. Gdy woda zostanie wprowadzona w grunt

w takiej ilości, że napięcie kapilarne przestanie działać, element ten od

pada. Zostanie on również wyeliminowany wtedy, gdy grunt zostanie

tak wysuszony, że nawet woda kapilarna zostanie usunięta.

150

Mówimy o kohezji rzeczywistej, gdy jest wywołana przy

ciąganiem międzycząsteczkowym i koloidami, oraz o kohezji pozornej,

wywołanej przez działanie sił napięcia kapilarnego.

W żwirach i gruboziarnistych piaskach pozbawionych części ilas

tych kohezja jest znikoma. W drobnoziarnistych piaskach pozbawionych

domieszki iłu kohezja będzie istniała głównie w razie obecności wody

kapilarnej. W mułach, iłach i piaskach ilastych kohezja będzie znaczna,

zwłaszcza jeśli jest w nich dużo cząstek o wymiarach koloidalnych.

Tarcie wewnętrzne jest to opór stawiany przesuwaniu czą

stek utworu względem siebie. Opór ten zależy od wymiarów i kształtu

cząstek, kohezji, obecności wody oraz od ciśnienia, pod jakim utwór

się znajduje.

W gruboziarnistym utworze, np. w żwirze, fragmenty skalne zazę

biają się ze sobą, wskutek czego trzeba użyć większej siły, aby je wzglę

dem siebie przesunąć. W drobnoziar

nistym utworze fragmenty i ziarna

mineralne nie zachodzą na siebie w ta

kim stopniu, jak w utworze gruboziar

nistym, toteż tarcie jest mniejsze.

Jeśli ziarna mineralne niezależnie

od wielkości mają dobrze ogładzone

powierzchnie, przesuwają się łatwiej

względem siebie aniżeli, gdy są kan

ciaste. Stąd piaski złożone z dobrze

zaokrąglonych ziarn mają mniejsze

Ryc. 68. Układ sił do określenia tar-

tarcie

wewnętrzne

aniżeli

piaski

cia

wewnętrznego

o ziarnach kanciastych.

Gdy piaski są suche, tarcie wewnętrzne będzie większe; woda na

ogół zmniejsza tarcie wewnętrzne. Fragmenty skalne przesuwają się

względem siebie łatwiej, jeśli ich powierzchnie są nasmarowane wodą.

Wreszcie tarcie wewnętrzne w utworze zależy od ciśnienia, tj. od cię

żaru cząstek. Im większe jest obciążenie, tym większej trzeba użyć siły,

aby pokonać tarcie wewnętrzne.

Cząstka C leżąca na płaszczyźnie pochyłej, jeżeli nie działa na nią

żadna inna siła, np. kohezja, podlega tylko sile grawitacji i tarciu. Może

ona zostać przesunięta w kierunku działania siły F 2 (ryc. 68), jeśli siła F 2 ,

pochodząca z rozkładu siły ciężkości Q na składowe F 1 i F 2 , przekroczy

pewną wartość. Z ryc. 68 wynika, że przesunięcie cząstki zależy od sto-

W jaki sposób objawia się tarcie wewnętrzne w utworach luźnych,

pokazuje następujące doświadczenie: jeśli usypujemy zwały luźnego

151

materiału, otrzymujemy różne nachylenia powierzchni zwału, zależnie

od rodzaju materiału. Inny kąt będzie dla zwału węgla, koksu, piasku,

żwiru itd. Im mniejsze tarcie wewnętrzne, tym łagodniejszy jest ów kąt,

który jest kątem naturalnego stoku (inaczej kąt zsypu).

Jeśli materiał posiada kohezję, kąt tarcia wewnętrznego różni się

nieco od kąta naturalnego stoku.

Wytrzymałość na ścinanie. Opór na przesuwanie części

utworu (a nie poszczególnych ziarn) względem siebie określamy jako

wytrzymałość na ścinanie. Gdy wytrzymałość na ścinanie

jest przekroczona, utwór luźny przemieszcza się na boki wzdłuż płasz

czyzn ścinania. Przemieszczanie mas przy ruchu osuwiskowym ma

często charakter ruchów ścinających. Ruchy takie zachodzą też w grun

cie pod nasypami lub budynkami. Wytrzymałość na ścinanie zależy od

tarcia wewnętrznego i kohezji.

Jeśli wyobrazimy sobie masę utworu luźnego o ciężarze Q tworzą

cego powierzchnię pochyłą, to wytrzymałość na ścinanie utrzymuje ją

w stanie równowagi i nie dopuszcza do ześlizgu. Wytrzymałość ta jest

sumą tarcia wewnętrznego i kohezji.

wie równe c. Jeśli materiał jest bezkohezyjny, wytrzymałość na ścinanie

jest równa tylko tarciu wewnętrznemu. Np. wytrzymałość na ścinanie

piasków zależy głównie od tarcia wewnętrznego a mniej od kohezji. Na

tomiast wytrzymałość na ścinanie iłów polega głównie na działaniu sił

kohezyjnych między cząstkami. Zaznaczyć należy, że wytrzymałość na

ścinanie iłów w dużej mierze zależy od ich składu mineralnego. Iły lub

gliny zawierające dużo beidelitu mają mniejszą wytrzymałość na ści

nanie.

Obecność wody w utworze luźnym wpływa na tarcie wewnętrzne

i kohezję, a więc tym samym wpływa na wytrzymałość na ścinanie. Kie

runek płynięcia wody w gruncie ma jednak większy wpływ na własno

ści gruntu aniżeli zmiany zawartości wilgoci. Doświadczalnie można się

przekonać, że piasek zanurzony pod wodą lub poddany przepływowi

z góry na dół ma wyższą wytrzymałość na ścinanie aniżeli piasek pod

dany przepływowi skierowanemu ku górze. Powodem tego jest strata

na tarciu wewnętrznym. Gdy ruch wody jest skierowany ku górze, cię

żar ziarn piasku jest zredukowany, a ponieważ tarcie wewnętrzne za

leżne jest od ciśnienia (ciężaru), zatem w takich warunkach tarcie we

wnętrzne musi się zmniejszyć. Drobnoziarniste utwory (piaski, muły)

łatwo wprawiane są w płynięcie (nawet przez nieznaczne wstrząsy)

i wylewają się ze ścian wyrobisk górniczych lub studni. Upłynnione

w ten sposób utwory noszą nazwę kurzawki (ang. ąuicksand)').

Jeśli warstwa piasku całkowicie przepojona wodą i leżąca między

dwiema warstwami nieprzepuszczalnych iłów lub glin zostanie poddana

') Skłonność materiału do upłynnienia się i ruchu nazywa się tiksotropią.

152

ciśnieniu, np. przez postawienie budynku, piasek pod wpływem obcią

żenia będzie miał tendencję do zmniejszania swej objętości. Jednakowoż

zmniejszanie to może się odbyć tylko kosztem wyparcia wody z piasku,

ta zaś nie może dostatecznie prędko przedostać się do nieprzepuszczal

nych warstw w stropie i spągu i będzie przeciwdziałać zmniejszaniu się

objętości piasku.

Równowaga zbocza. Siła ciężkości na zboczu rozkłada się na siłę skie

rowaną równolegle do zbocza i prostopadle do niego. Składowa równo

legła do zbocza jest siłą dążącą do przesunięcia utworów zbocza w dół.

Wartość jej rośnie ze stromością zbocza; gdy sile tej przeciwstawia się

spoistość warstw oraz ich tarcie wewnętrzne, zbocze jest w równowa

dze, czyli posiada stateczność.

W skałach spoistych tarcie wewnętrzne jest bardzo duże i woda nie

ma na niego wpływu. W skałach warstwowych obok spoistości i tarcia

wewnętrznego przeciwdziała sile ciężkości tarcie międzywarstwowe.

Tarcie to jest wielkie, gdy ławice piaskowca leżą na piaskowcach lub

wapienie na wapieniach, ale jest znacznie mniejsze, gdy ławica pias

kowca leży na łupkach lub ławica wapienia spoczywa na marglach.

Wtedy napojenie wodą zmniejsza znacznie tarcie.

Zbocze jest w równowadze, jeśli siły tarcia i spoistości równoważą

siłę pochodzącą z działania ciężkości. Jeśli ta siła w stosunku do sił tar

cia i spoistości zwiększy się, np. jeśli tarcie i spoistość pozostają bez

zmiany, a spadek zbocza zwiększy się przez erozyjne podcięcie, siła

wypadkowa zwiększy się i równowaga zostanie zaburzana. Na odwrót,

gdy siła wypadkowa ciężkości pozostaje bez zmiany, a zmniejszy się tar

cie lub spoistość wskutek przepojenia wodą, równowaga zostanie też za

chwiana. Zauważyć należy, że przepojenie wodą zwiększa też siłę cięż

kości, gdyż warstwy nasycone wodą zwiększają swój ciężar.

Z powyższego wynika, że bezpośrednimi przyczynami, powodujący

mi osuwanie się zbocza, są erozyjne podcięcia lub przepojenie wodą.

Są to przyczyny naturalne, zwykle poprzedzone zwietrzeniem skały.

Obok nich mogą działać przyczyny sztuczne, wywołane przez działal

ność człowieka, a więc podcięcie zbocza wkopem, obciążenie zbocza

przez postawienie ciężkiej budowli itd.

Podział ruchów mas powierzchniowych. Ruch mas powierzchniowych

może nastąpić wszędzie, gdzie siły tarcia i spoistości są niewystarcza

jące, aby dostatecznie przeciwdziałać sile ciężkości. Może się on odby

wać stale, ale bardzo powoli; nazywamy to spełzywaniem. Gdy

rozdrobnione fragmenty skalne zostają wprawione w szybki ruch po

zboczu, mówimy wtedy o staczaniu, które prowadzi do powstania

usypiska. Albo też warunki sprzyjające ruchowi dojrzewają stopniowo

i dopiero jakaś drugorzędna przyczyna wprawi masy skalne w ruch;

ruch taki odbywa się mniej lub więcej szybko; mówimy wtedy o o s u-

w a n i u; rezultatem takiego ruchu są osuwiska. Gdy w tym proce

sie udział wody jest znaczny, określamy ruch mas jako spływanie

prowadzące do tworzenia się spływów błotnych i innych; gdy osuwa

nie się ma charakter katastrofalny i polega więcej na oderwaniu się

mas skalnych niż na ich osunięciu się, mówimy o obrywaniu mas

skalnych. W podziale tym nie ma ostrych granic, ale poszczególne for

my ruchu przechodzą w siebie.

153

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: