§2. Воздействие на почвы
Механическое воздействие.
Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с развитием в их массивах трещиноватости.
Характерным свойством песчаных и крупнообломочных несцементированных пород является их хорошая водопроницаемость. Она определяет их роль дренирующих или водовмешающих 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.
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.
В случае, если фильтрационный поток выносит суффозионные частицы из деформированного слоя породы в пригружающий его слой более крупнозернистого материала происходит контактный выпор. Задерживаясь в этом материале, мелкозернистые частицы формируют слой, отличный по составу и свойствам от исходных пород. В итоге это приводит к разрыхлению части породы, увеличению пористости и размеров пор.
Негативные последствия суффозионных деформаций проявляется в формировании зон ослабленной прочности, трещин в связи с изменением гранулометрического состава, плотности и пористости пород, нарушении кровли перекрывающих пород. Следствием изменения водопроницаемости пород является увеличение водопритоков в подземные выработки, выход из строя дренажей, водопонижающих устройств, обратных фильтров и, как следствие, подтопление городских территорий.
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. 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 пр 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.
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, под влиянием преобразования рельефа, регулирования поверхностного стока, утечек из водонесущих коммуникаций происходит изменение гидрогеологического режима городской территории. Следствием является повышение 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
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.
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.
Статистические нагрузки. Это наиболее распространенный вид строительных воздействий на горные породы. Под действием статических нагрузок от зданий и сооружений, составляющих 0,2 МПа и более, образуется зона активного изменения горных пород, достигающая глубин 70-100 м. наибольшие изменения наблюдаются:
в вечномерзлых льдистых породах, на участках залегания которых часто наблюдается оттаивание, пучение и другие неблагоприятные процессы;
в сильносжимаемых породах, например, насыпных, заторфованных и т.д.
Динамические нагрузки. Воздействие вибрационного 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.
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.
Электрическое 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
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.