Трещиноватости

При величине пористости пород более 5% их прочностные показатели значительно ухудшаются и их классифицируют как долускальные породы. Под воздействием движущегося потока воды трещиноватые и пористые по­роды карбонатного или сульфатного состава могут выщелачиваться с образо­ванием карстовых пустот. Скальные и полускальные породы в условиях воз­действия строительных нагрузок ведут себя как упругие твердые тела.

Характерным свойством песчаных и крупнообломочных несцементиро­ванных пород является их хорошая водопроницаемость. Она определяет их роль дренирующих или водовмещающих элементов в осадочном комплексе.

Раздел 2. Геологическая среда города

Показателем водопроницаемости породы является коэффициент фильтрации, величина которого зависит от пористости породы и структуры порового про­странства. Пористость обломочных пород колеблется обычно в пределах 20— 45%. Эти характеристики, в свою очередь, определяются диаметром и ока-танностью слагающих породу частиц, а также однородностью зернового со­става. С увеличением среднего диаметра породообразующих частиц и их окатанности при неоднородном зерновом составе водопроницаемость поро­ды возрастает.

Величина водопроницаемости пород изменяется в широких пределах. Диапазоны колебаний коэффициента фильтрации пород различного грану­лометрического состава приведены в табл. 2.4.

Таблица 2.4. Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации

Движение фильтрационного потока в несвязной дисперсной породе со­здает гидродинамическое давление и может вызвать фильтрационные дефор­мации, которые носят название суффозионных явлений.

Фильтрационные деформации будут развиваться в рыхлой обломочной породе в том случае, если в ней имеются частицы, диаметр которых меньше наибольшего фильтрационного хода, и если скорости фильтрационного по­тока достаточны для перемещения этих частиц.

Собственно суффозия, или механическая суффозия, — явление выноса фильтрационным потоком из толщи породы мелких частиц. При этом увели­чивается пористость пород и размеры пор.

Контактный выпор происходит в случае, если фильтрационный поток выносит суффозионные частицы из деформированного слоя породы в при-гружающий его слой более крупнозернистого материала. Задерживаясь в этом материале, мелкозернистые частицы формируют слой, отличный по составу и свойствам от исходных пород. Выпор — такое разрушение породы, при котором приходит в движение некоторый ее объем со всеми слагающими породу фракциями, что приводит к разрыхлению части породы, увеличению пористости и размеров пор.

К суффозионным породам относят такие, из которых суффозионным потоком выносится более 3% частиц. Скорость фильтрации, при которой

J

42 Экология города

нарушается предельное равновесие суффозионных частиц в породе, называ­ется критической скоростью фильтрации.

Негативные последствия суффозионных деформаций проявляются в фор­мировании зон ослабленной прочности, трещин в связи с изменением грану­лометрического состава, плотности и пористости пород, обрушении бортов котлованов, нарушении кровли перекрывающих пород. Следствием измене­ния водопроницаемости пород является увеличение водопритоков в подзем­ные выработки и котлованы, кольматация и выход из строя обратных фильт­ров и дренажей водопонижающих устройств.

Характерной особенностью пылевато-глинистых пород является способ­ность изменять свою консистенцию при изменении влажности. Показате­лями этих граничных состояний являются предел пластичности и предел текучести. При влажности ниже предела пластичности глинистая порода имеет твердую консистенцию и свойства, близкие к свойствам твердых тел. При влажности выше предела пластичности порода приобретает текучую консистенцию и свойства жидкости. Содержание физически связанной воды в такой глине достигает 50%. Высокая водопоглотительная способность гли­нистых пород связана с преобладанием в их составе частиц, обладающих коллоидными свойствами. Для глинистых пород характерна слабая водопро­ницаемость. В геологическом разрезе они выполняют роль водоупорных сло­ев. Глинистые породы характеризуются такими свойствами, как усадка и набухание, т.е. уменьшением объема при высыхании и увеличением при увлажнении. Набухание связано с увеличением толщины гидратных оболо­чек на поверхности глинистых частиц, при этом в породе возникает давле­ние, величина которого может достигать 0,8 МПа, что оказывает деструк­тивное воздействие на откосы выработок и основания сооружений. Усадка сопровождается неравномерной деформацией породы при высыхании, по­явлением в ней трещин и увеличением водопроницаемости. Это снижает устойчивость пород на естественных склонах, в бортах карьеров и котлова­нов. В результате растрескивания на склонах образуются рыхлые продукты разрушения породы в виде глинистой щебенки, которая, осыпаясь по скло­нам, образует скопления. При водонасыщении они могут служить материа­лом для формирования грязевых потоков.

Некоторые тонкообломочные породы в водонасыщенном состоянии об­ладают специфическим свойством, характерным для коллоидных систем, — при вибрационном воздействии переходить из геля в золь, т.е. разжижаться. Это явление носит название тиксотропии и может быть вызвано также элек­трическими и ультразвуковыми колебаниями. При снятии воздействия сис­тема, постепенно застывая, может снова переходить в гель. Породы, облада­ющие тиксотропными свойствами и ведущие себя наподобие вязких жидко­стей, называют плывунами. При разнообразии зернового состава плывуны обязательно содержат глинистые минералы. Формированию плывунных свойств способствует наличие гидрофильных глинистых минералов типа монт­мориллонита и особых микроорганизмов. Для истинных плывунов характер­на низкая водопропускная способность и нулевая водоотдача вследствие кол­лоидных связей между частицами. Плывуны представляют большую опас-

Раздел 2. Теологическая среда города 43

ность при проходке подземных выработок. Катастрофические последствия имело вскрытие плывуна при проходке тоннеля ленинградского метро в 1974 г. На глубине 80 м на незамороженном участке в выработку хлынули тысячи кубометров плывунной породы. Масштабы перемещения масс были так ве­лики, что даже на поверхности земли образовалась мульда проседания.

Серьезные проблемы при строительстве создает просадочность пород, т.е. их способность к осадке при замачивании под действием собственного веса или совместного действия собственного веса и внешней нагрузки. В резуль­тате просадок происходит опускание поверхности земли на величину до не­скольких десятков сантиметров. Это приводит к деформациям зданий и со­оружений, построенных на просадочных породах. Морфологическими при­знаками, указывающими на возможность просадочных явлений на данной территории, являются такие формы рельефа, как промоины, просадочные воронки вдоль берегов рек, просадочные блюдца на террасах и водоразделах. Типичными для Украины просадочными породами являются лессы и лессо­видные породы, образующие в степной и лесостепной зонах почти сплошной покров на водоразделах и речных террасах мощностью от 3 до 40—80 м. Лес­сы распространены также в Предкавказье, Азово-Кубанской низменности. Мощные (до 100 м) лессовые толщи характерны для Китая.

Кроме площадного распространения, для лессов характерны высокая по­ристость (как правило, 42—58%) с большим количеством макропор, верти­кальная отдельность и устойчивость крутых откосов в сухом состоянии, со­держание водорастворимых солей (преимущественно сульфатов и карбона­тов) до 15%, что обеспечивает связность частиц породы, относительно устойчивый зерновой состав, отвечающий суглинкам (содержание пылеватых фракций от 50 до 82%, глинистых — от 10 до 30%, песчаных — до 15—20%), легкая размокаемость при увлажнении. Просадочность лессовидных пород связана как с их природной разуплотненностью, так и с наличием большого количества водорастворимых солей.

Количественная оценка просадочности характеризуется величиной на­чального просадочного давления и относительной просадочностью пород. Начальное просадочное давление Р_п — это минимальное давление, при кото­ром проявляется просадочность породы в условиях ее полного водонасыще-ния. Относительная просадочность породы — отношение дополнительной осадки (или просадки породы после замачивания) к первоначальной высоте образца или слоя в его природно напряженном состоянии. К просадочным относят породы, у которых величина относительной просадочности 5_п > 0,01.

Просадки на территории городов могут происходить при отсутствии ре­гулирования поверхностного стока, при утечках из подземных коммуника­ций и подтоплении грунтовыми водами. На просадочность пород влияет ин­фильтрация из каналов, водохранилищ, подпор рек при их зарегулировании.

Под сооружениями влажность лессовых пород возрастает на 10—15%, что приводит к увеличению пластичности и снижению прочности. Длительное пребывание лессовидных пород ниже уровня грунтовых вод, что характерно для подтопленных городских территорий, приводит к растворению и выносу

44 Экология города

гипса и других растворимых солей, вызывает утрату несущей способности и приобретение грунтом тиксотропних свойств.

Современные техногенные отложения являются характерным и требую­щим внимания элементом геологической среды города. Источниками этих отложений могут быть хозяйственная и строительная деятельность, твердые отходы промышленности и горнодобывающих производств. Общим для них является широкое площадное распространение, рыхлое сложение и неодно­родный качественный и зерновой состав. Наибольший объем и площадь рас­пространения имеют отходы горнодобывающей промышленности. Например, в Донецке площадь под терриконами занимает 15 км², не считая других видов отложений. Кроме насыпных техногенных отложений, выделяют намывные, представленные перемещенными с помощью гидротранспорта материалами.

В таких, голодал Украины, как Киев и Харьков, есть жилые районы, постро­енные на намывных песках. Для районов добычи полезных ископаемых ха­рактерны намывные отложения отходов обогащения руд.

Недооценка свойств современных техногенных отложений может привести к развитию опасных геологических процессов, деформации и разрушению зданий и сооружений, человеческим жертвам.

Антропогенное воздействие на компоненты геологической среды городов проявляется в:

• возрастании интенсивности выветривания за счет изменения состава
атмосферного воздуха (выпадение кислотных дождей и кислотных рос);

• изменении уровня грунтовых вод и их состава, что приводит к измене­
нию свойств пород несущего основания;

• изменении состава литогенной основы городских территорий за счет
отсыпки и намыва техногенных отложений и аэрозольных выпадений
из атмосферы;

• изменении характеристик физических полей в пределах городских аг­
ломераций.

Кислотные осадки воздействуют не только на растительность и водо­емы, они повреждают здания и конструкции из различных материалов, в том числе из известняка, мрамора, песчаника и стали. От разрушительного воз­действия загрязненной атмосферы страдают памятники античности в Афи­нах и Риме, мраморные скульптуры и здания в Англии, Италии, Канаде и других странах. Изучение геологического спектра воздействия кислотных дож­дей помогло бы предсказать интенсивность их воздействий в будущем. Дина­мику скорости растворения горных пород под воздействием кислотных дож­дей предполагают изучить ученые из США на материале более чем 2,5 млн памятников погибшим военнослужащим. С 1875 г. эти памятники изготовля­ют единой формы и размеров, используя камень всего лишь из трех карьеров на территории страны.

Под влиянием преобразования рельефа, регулирования поверхностного стока, утечек из водонесущих коммуникаций происходит изменение гидрогео­логического режима городской территории. Следствием является повышение

Раздел 2. Геологическая среда города

уровня грунтовых вод, а нередко и подтопление определенных участков горо­да. Связанное с этим водонасыщение пород снижает их прочность и приво­дит к деформации и разрушению зданий и сооружений.

Физическое воздействие крупного города с развитой транспортной сетью, большим промышленным и энергетическим потенциалом проявляется в ме­стном изменении температурного, электрического и магнитного полей. Возникают вибрационные поля. Создается так называемое физическое за­грязнение геологической среды города.

Проявляясь на локальной территории, эти те2Шй1енные.-физические поля по интенсивности значительно превосходят естественные аналоги, создавая на территории города высокие градиенты характеристик. Сравнительная ха­рактеристика естественных и техногенных физических полей дана в табл. 2.5.

Таблица 2.5. Сравнительная характеристика физических полей городской территории (по Коффу, 1990)

Как видно из представленных данных, техногенное воздействие сообща­ет геологической среде дополнительное количество энергии через статичес­кие (вес сооружений), динамические (вибрация), температурные и электри­ческие поля. Накопление избыточной энергии в среде, которая служит осно­ванием фундаментов или вмещает инженерные сооружения и коммуникации, несет в себе опасность ухудшения качества этой среды.

Воздействие вибдсщионного поля на литогенную основу городской сре­ды различно в зависимости от типа пород, на которые воздействует вибра­ция. Скальные и полускальные грунты, обладающие упругими свойства­ми, передают вибрацию от источника к объекту воздействия без значи­тельного поглощения энергии колебаний. При вибрационном воздействии на дисперсные породы зачастую происходят необратимые изменения их структуры, следствием чего является уменьшение прочности, неравномер­ное уплотнение и т.п. При предрасположении массива пород к проявле­нию таких геологических процессов, как оползни, обвалы, карст, плывун­ные явления, воздействие вибрации может вызвать подвижки пород и тем самым значительно усилить интенсивность и отрицательные последствия этих явлений.

46 Экология города

Основным источником вибрации по отношению к литогенной основе территории и инженерным объектам, находящимся в ней, являются транс­портные магистрали. В качестве верхнего предела допустимого вибрацион­ного воздействия на геологическую среду принимается 73 дБ, что соответ­ствует скорости перемещения частиц породы примерно 225 • 10~⁶ м/с. Эти условия создаются, когда наряду с автомобильным транспортом или незави­симо от него функционирует рельсовый транспорт с регулярным движением.

Стимулирует проявление обвально-оползневых процессов в сочетании с вибрацией подрезка склонов при прокладке транспортных магистралей, вы­емка большого количества породы при строительстве и другие изменения равновесия в пределах массивов пород и грунтов.

Тепловое загрязнение геологической среды в городах представляет собой повышение ее температуры относительно естественных значений. На тер­ритории большого города нарушение температурного режима может наблю­даться до глубины 100—150 м и более. При этом на горизонтах 10—30 м наблюдается тенденция к расширению по площади геотермических анома­лий с повышением на 2—6° С фоновых значений температуры горных пород и подземных вод.

Под влиянием избыточного тепла может происходить локальное просу­шивание пород с изменением их прочности. С повышением температуры грунтовых вод возрастает скорость химических реакций в зоне их контакта с материалами подземных сооружений. Установлено, что скорость коррозии строительных марок стали линейно возрастает при изменении температуры от 0 до 80° С. Увеличение температуры пород и подземных вод активизирует деятельность микроорганизмов, являющихся агентами биокоррозии. Наибо­лее распространенными источниками теплового загрязнения геологической среды городских территорий являются магистральные теплопроводы и сети горячего водоснабжения.

На участках промораживания грунтов при строительстве котлованов в обводненных условиях и прокладке трасс метрополитена в сложных инже­нерно-геологических условиях под воздействием хладоносителя с температу­рой от —10 до —26° С существенно меняются свойства водонасыщенных по­род, нарушаются сложившиеся режимы водо-, массо- и теплообмена, микро­биоценозов.

Электри неское поле_ блуждающих токов в земле связано с рельсовым элек­тротранспортом. Воздействие его выражается в повышении коррозионной активности среды. Опасность коррозии возникает при плотности блуждаю­щих токов 5—10~² А/м², тогда как реально наблюдаемая их плотность в горо­дах в 200 раз выше. При высоком уровне электрического воздействия ско­рость коррозии стали составляет до 2 мм в год, а сроки безаварийной службы трубопроводов сокращаются вдвое. Утечки из трубопроводов в свою очередь служат новыми источниками загрязнения геологической среды городов.

Для избежания критических ситуаций, представляющих угрозу для жиз­ни людей и приводящих к деформации и разрушению зданий и сооружений, важна достоверная оценка современного состояния геологических объектов

Раздел 2. Геологическая среда города 47

и процессов, прогноз их изменения во времени при взаимодействии с объек­тами техносферы.

Горные породы являются одним из естественных источников облучения жителей городов. От содержания в породах радионуклидов радия, тория и калия зависит как внешнее, так и внутреннее облучение людей. Внутреннее облучение в наибольшей степени связано с поступлением через органы дыха­ния газа радона, который является продуктом радиоактивного превращения элементов урановой цепи. Этот газ обладает способностью эманировать из пород, проникать через отверстия в полу и стенах, через стыки элементов конструкций в помещения и накапливаться на первых этажах зданий.

Непосредственным источником выделения радона является радий-226. По содержанию этого изотопа горные породы сильно различаются. Особен­но высокие содержания радия могут быть в некоторых разновидностях гра­нитов, а из осадочных пород — в глинистых сланцах, обогащенных органи­ческим веществом. Уровень радоновыделения зависит не только от концент­рации в них радиоизотопов, но и от структурно-тектонических особенностей территории. В зонах тектонических разломов и повышенной трещиноватости пород выделение радона происходит более интенсивно.

В Украине районы с повышенным радоновыделением приурочены в основ­ном к территории Украинского кристаллического щита и северо-западной части Донецкого бассейна (см. также раздел 4.8.1). В Соединенных Штатах Америки повышенный уровень радоновыделения связан с участками распространения темных сланцев, а также трещиноватых гранитов и наблюдается в штатах Вирд­жиния, Калифорния, Нью-Джерси, Нью-Йорк, Пенсильвания, Флорида.

Повышенная радиоактивность пород основания и техногенных отложе­ний, на которых построены города и другие населенные пункты, установлена в Австралии, Германии, Финляндии, Швеции и других странах.