Литогенная основа территории Беларуси

Основная часть территории Беларуси относится к структурам платформенного типа. Их геологическое строение в схематическом виде можно представить как трехслойное: поверхностный покров современных и четвертичных отложений залегает на осадочном основании, которое базируется на кристаллическом фундаменте, представляющем собой массивную толщу магматических и метаморфических пород. Основная инженерно-строительная деятельность в пределах городских территорий связана с верхним осадочным чехлом, но в зависимости от урболандшафтных условий и специфики производственной деятельности жизненно важную роль в формировании условий городской среды могут играть и породы более глубоко залегающих структурных ярусов.

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, тоннелей метро, подземные выработки). Обнажение таких пород в черте города можно видеть, например, в Севастополе. Характерной особенностью таких 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 (табл. 6.2).

 

Таблица 6.2.

Показатели плотности и пористости некоторых видов твердых пород

Наименование породы	Плотность, г/см3			Пористость, %
	породы	сухой породы	частиц
Габбро Мрамор Доломит Мел Опока	2.87 2.95 2.70 2.68 1.35 1.71	2.86-2.95 2.70 2.68 -- 1.42	2.99 3.92 2.71 2.83 2.68 2.40	0.08 4.5 0.1 3.4 12.4 --

 

Снижение прочности пород и возрастание водопроницаемости связано с развитием в их массивах трещиноватости. Влияние степени трещиноватости на водопроницаемость пород иллюстрируют данные табл. 6.3.

Таблица 6.3.

Показатели водопроницаемости для пород различной степени трещиноватости

Степень трещиноватости пород	Коэффициент фильтрации, м/сут	Удельное водопоглощение, л/мин
Не трещиноватые	0, 01	0, 005
Слабо трещиноватые	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.

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.

Контактный выпор происходит в случае, если фильтрационный поток выносит суффозионные частицы из деформированного слоя породы в пригружающий 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 порол 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.

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.

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.

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 изменению 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 агломераций.

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 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 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.

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 напряду 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 род 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 горячею водоснабжения.

Электрическое поле блуждающих токов в земле связано с рельсовым электротранспортом. Воздействие его выражается в повышении коррозионной активности среды. Опасность коррозии возникает при плотности блужающих токов 5 – 10^-2 A/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, представляющие угрозу для жизни людей и приводящих к деформации и разрушению зданий и сооружений, важна достоверная оценка современного состояния геологических объектов и  процессов, прогноз их изменения во времени при взаимодействии с объектами, 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 обручение 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 вполу 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 наделение радона происходит более интенсивно.

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

 

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться: