Литогенная основа городских территорий.
Литосфера, включающая материки и ложе океанов, не является сплошной твердой оболочкой. Она состоит из ряда литосферных плит, которые медленно, но непрерывно перемещаются относительно друг друга. Так, плиты, граница между которыми проходит вдоль Западного побережья США по разлому Сан-Андреас, движутся во встречных направлениях со скоростью 5 см в год, так что города Лос-Анджелес и Сан-Франциско через 10 — 12 миллионов лет могут оказаться рядом.
Граница между Евразийской, Африканской и Австралийской плитами проходит через Альпы, Кавказ, Гималаи, включая в пограничную полосу Карпаты и горный Крым. Зоны контакта между пледами характеризуются активным тектоническим режимом, т.е. высокой частотой землетрясений, проявлением вулканической деятельности, современными вертикальными движениями большой амплитуды. Это находит отражение в особенностях быта, строительства и других видов практической деятельности жителей городов, расположенных в этих зонах. В срединной части плит тектонический режим в современную геологическую эпоху более спокойный, так называемый платформенный.
Основная часть территории Украины относится к структурам платформенного типа. Их геологическое строение в схематическом виде можно представить как трехслойное: поверхностный покров современных и четвертичных отложений залегает на складчатом осадочном основании, которое базируется на кристаллическом фундаменте, представляющем собой массивную толщу магматических и метаморфических пород (рисунок 2.4). Основная инженерно-строительная деятельность в пределах городских территорий связана с верхним осадочным чехлом, но в зависимости от урбо ландшафтных условий и специфики производственной деятельности жизненно важную роль в формировании условий городской среды могут играть и породы более глубоко залегающих структурных ярусов.
Рисунок. 2.4. Схема геологического строения территории:
I — чехол современных отложений; II — складчатое основание; III — кристаллический фундамент
Все горные породы применительно к строительной деятельности можно рассматривать как основание для строительства здания или сооружения, как материал для строительства или как среду, в которой размещается сооружение. Горные породы, а также современные отложения естественного и техногенного происхождения, используемые в строительных целях, называются грунтами.
С инженерно-геологических позиций все горные породы подразделяют на два класса — скальные и нескальные.
Среди нескальных пород выделяют песчаные и крупнообломочные породы, взаимодействие между частицами которых определяется лишь трением и зацеплением, и пылевато-глинистые, или связные, породы. Взаимодействие между частицами связных пород обусловлено наличием водно-коллоидных связей. Различный характер связей, присущий этим породам, определяет различие в их свойствах и поведении в городской среде.
Скальные породы залегают чаще на значительной глубине от поверхности земли и относительно редко, по сравнению с рыхлыми осадочными породами, служат основанием городских сооружений. Они являются средой, в которой осуществляется подземное строительство (шахты по добыче полезных ископаемых, тоннели метро, подземные выработки другого назначения). Обнажения таких пород в черте города можно видеть, например, в Запорожье, Изюме, Севастополе, в городах предгорной зоны. Характерной особенностью скальных пород является их монолитность, обусловленная прочными связями между частицами. Связи эти носят кристаллизационный или цементационный характер и определяют высокую плотность, малую пористость и высокую прочность пород как в сухом, так и в водонасыщенном состоянии (таблица 2.2).
Таблица 2.2. Показатели плотности и пористости некоторых видов твердых пород
Наименование породы | Плотность, г/см | Пористость, % | ||
породы | сухой породы | частиц | ||
Габбро | 2,87-2,95 | 2,86-2,95 | 2,99-3,92 | 0,08-4,5 |
Мрамор | 2,70 | 2,70 | 2,71 | 0,1 |
Доломит | 2,68 | 2,68 | 2,83 | 3,4-12,4 |
Мел | 1,35 | - | 2,68 |
|
Опока | 1,71 | 1,42 | 2,35 | 44 |
Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с развитием в их массивах трещиноватости. Влияние степени трещиноватости на водопроницаемость пород иллюстрируют данные таблица 2.3.
Таблица 2.3. Показатели водопроницаемости для пород различной степени трещиноватости
Степень трещиноватости пород | Коэффициент фильтрации, м/сут | Удельное водо поглощение, л/мин |
Нетрещиноватые | 0,01 | 0,005 |
Слаботрещиноватые | 0,01 — 10,0 | 0,005-5,0 |
Трещиноватые | 10-30 | 5-15 |
Сильнотрещиноватые | 30-100 | 15-50 |
При величине пористости пород более 5% их прочностные показатели значительно ухудшаются и их классифицируют как полускальные 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.
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 окатанностью 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 таблице 2.4.
Таблица 2.4. Ориентировочные значения коэффициентов фильтрации
Наименование породы | Коэффициент фильтрации, см/с | |
Глина | < 1 | 1 • 10-7 |
Суглинок | 1 • 10-7— | 1 • 10-6 |
Супесь | 1 • 10-6— | 1 • 10-5 |
Песок: пылеватый | 1 • 10-5— | 1 • 10-4 |
мелкий | 1 • 10-4— | 1 • 10-3 |
средней крупности | 1 • 10-3— | 1 • 10-2 |
крупный | 1 • 10-2— | 1 • 10-2 |
Гравий, галька | 1 • 10-1— | 1 • 101 |
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 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 опасность 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 Рпр — это минимальное давление, при котором проявляется просадочность породы в условиях ее полного водонасыщения. 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 8 > 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 гипса и других растворимых солей, вызывает утрату несущей способности и приобретение грунтом тиксотропных свойств.
