Скельні породи залягають частіше на значній глибині від поверхні землі і відносно рідко, у порівнянні з пухкими осадовими породами, слугують основою міських споруд. Вони є середовищем, у якому здійснюється підземне будівництво (шахти з видобутку корисних копалин, тунелі метро, підземні виробки іншого призначення). Оголення таких порід у межах міста можна бачити, наприклад, у Запорожжі, Севастополі, у містах передгірної зони. Характерною рисою скельних порід є їх монолітність, обумовлена міцними зв'язками між частками. Зв'язки ці носять кристалізаційний або цементаційний характер і визначають високу щільність, малу пористість і високу міцність порід як у сухому, так і у водонасиченому стані.

Зниження міцності порід і зростання водопроникності пов'язане з розвитком у їх масивах тріщинуватості.

Характерною властивістю піщаних та незцементованих порід є їх хороша водопроникність. Вона визначає роль дренуючих чи водовмісних елементів в осадочному комплексі. Показником водопроникності породи є коефіцієнт фільтрації, величина якого залежить від пористості породи і структури порового простору. Пористість уламкових порід коливається звичайно в межах 20-45%. Ці характеристики, у свою чергу, визначаються діаметром і обкатаністю часток, які складають породу, а також однорідністю зернового складу. Зі збільшенням середнього діаметра породоутворюючих часток і їх обкатаності при неоднорідному зерновому складі водопроникність породи зростає.

Величина водопроникності порід змінюється в широких межах. Рух фільтраційного потоку в незв'язній дисперсній породі створює гідродинамічний тиск і може викликати фільтраційні деформації, які звуться суфозійними явищами [14].

Фільтраційні деформації будуть розвиватися в пухкій уламковій породі в тому випадку, якщо в ній є частки, діаметр яких менший від найбільшого фільтраційного ходу, і якщо швидкості фільтраційного потоку достатні для переміщення цих часток.

Власне суфозія, або механічна суфозія, - явище виносу фільтраційним потоком з товщі породи дрібних часток. При цьому збільшується пористість порід і розміри пор.

Контактний випор відбувається у випадку, якщо фільтраційний потік виносить суфозійні частки з деформованого шару породи в глибший за його шар більш грубозернистого матеріалу. Затримуючись в цьому матеріалі, дрібнозернисті частки формують шар, відмінний по складу і властивостям від вихідних порід. Випор - таке руйнування породи, при якому починає рухатися деякий її обсяг із усіма фракціями, які складають породу, що приводить до розпушення частини породи, збільшенню пористості і розмірів пор.

До суфозійних порід відносять такі, з яких суфозійним потоком виноситься більш 3% часток. Швидкість фільтрації, при якій порушується гранична рівновага суфозійних часток у породі, називається критичною швидкістю фільтрації.

Негативні наслідки суфозійних деформацій виявляються у формуванні зон ослабленої міцності, тріщин у зв'язку зі зміною гранулометричного складу, щільності і пористості порід, обваленні бортів котлованів, порушенні покрівлі порід, які перекривають. Наслідком зміни водопроникності порід є збільшення водопритоків у підземні виробки і котловани, кольматація і вихід з ладу зворотних фільтрів і дренажів водопонижаючих пристроїв.

Характерною рисою пилувато-глинистих порід є здатність змінювати свою консистенцію при зміні вологості. Показниками цих граничних станів є межа пластичності і границя текучості. При вологості нижче межі пластичності глиниста порода має тверду консистенцію і властивості, близькі до властивостей твердих тіл. При вологості вище межі пластичності порода набуває текучої консистенції і властивостей рідини. Вміст фізично зв'язаної води в такій глині досягає 50%. Висока водопоглинаюча здатність глинистих порід пов'язана з перевагою в їхньому складі часток, які характеризуються колоїдними властивостями. Для глинистих порід характерна слабка водопроникність. У геологічному розрізі вони виконують роль водотривких шарів. Глинисті породи характеризуються такими властивостями, як усадка і набрякання, тобто зменшенням обсягу при висиханні і збільшенням при зволоженні. Набрякання зв'язане зі збільшенням товщини гідратних оболонок на поверхні глинистих часток, при цьому в породі виникає тиск, величина якого може досягати 0,8 МПа, який деструктивно впливає на відкоси виробок і основи споруд. Усадка супроводжується нерівномірною деформацією породи при висиханні, появою в ній тріщин і збільшенням водопроникності. Це знижує стійкість порід на природних схилах, у бортах кар'єрів і котлованів. В результаті розтріскування на схилах утворяться пухкі продукти руйнування породи у вигляді глинистої щебінки, яка обсипаючись по схилах, утворить скупчення. При водонасиченні вони можуть служити матеріалом для формування грязьових потоків [14].

Деякі тонкообломкові породи у водонасиченому стані мають специфічну властивість, характерну для колоїдних систем, - при вібраційному впливі переходити з гелю в золь, тобто розріджуватися. Це явище зветься тиксотропією і може бути викликане також електричними й ультразвуковими коливаннями. При знятті впливу система, поступово застигаючи, може знову переходити в гель. Породи з тиксотропними властивостями ведуть себе на зразок грузлих рідин, називають пливунами. При розмаїтості зернового складу пливуни обов'язково містять глинисті мінерали. Формуванню пливунних властивостей сприяє наявність гідрофільних глинистих мінералів типу монтморілоніту й особливих мікроорганізмів. Для істинних пливунів характерні низька водопропускна здатність і нульова водовіддача внаслідок колоїдних зв'язків між частками. Пливуни представляють велику небезпеку при проходці підземних виробок. Катастрофічні наслідки мало розкриття пливуна при проходці тунелю ленінградського метро в 1974 р. На глибині 80 м на незамороженій ділянці у виробку хлинули тисячі кубометрів пливунної породи. Масштаби переміщення мас були так великі, що навіть на поверхні землі утворилася мульда просідання.

Серйозні проблеми при будівництві створює просадочність порід, тобто їхня здатність до осідання при замочуванні під дією власної ваги або спільної дії власної ваги і зовнішнього навантаження. В результаті осідань відбувається опускання поверхні землі на величину до декількох десятків сантиметрів. Це приводить до деформацій будинків і споруд, побудованих на просадних породах. Морфологічними ознаками, які вказують на можливість просадних явищ на даній території, є такі форми рельєфу, як вимоїни, просадні лійки уздовж берегів рік, просадні блюдця на терасах і вододілах. Типовими для України просадними породами є леси і лесовидні породи, які утворюють у степовій і лісостеповій зонах майже суцільний покрив на вододілах і річкових терасах потужністю від 3 до 40-80 м [7].

Крім майданного поширення, для лесів характерна висока пористість (як правило, 42-58%) з великою кількістю макропор, вертикальна окремість і стійкість крутих укосів у сухому стані, вміст водорозчинних солей (переважно сульфатів і карбонатів) до 15%, що забезпечує зв’язаність часток породи, відносно стійкий зерновий склад, що відповідає суглинкам (вміст пилуватих фракцій від 50 до 82%, глинистих - від 10 до 30%, піщаних - до 15-20%), легка намочуваність при зволоженні. Просадочність лесовидних порід зв'язана як з їх природною розпушеністю, так і з наявністю великої кількості водорозчинних солей.

Осідання на території міст можуть відбуватися при відсутності регулювання поверхневого стоку, при витоках з підземних комунікацій і підтопленні ґрунтовими водами. На просадочність порід впливає інфільтрація з каналів, водоймищ, підпір рік при їхньому зарегулюванні.

Під спорудами вологість лесових порід зростає на 10-15%, що приводить до збільшення пластичності і зниження міцності. Тривале перебування лесовидних порід нижче рівня ґрунтових вод, що характерно для підтоплених міських територій, приведе до розчинення і виносу гіпсу й інших розчинних солей, викликає втрату несучої здатності і набуття ґрунтом тиксотропних властивостей [8].

Сучасні техногенні відклади є характерними елементами геологічного середовища міста, які потребують уваги. Джерелами цих відкладів можуть бути господарська і будівельна діяльність, тверді відходи промисловості і гірничодобувних виробництв. Загальним для них є широке майданне поширення, пухке складування і неоднорідний якісний і зерновий склад. Найбільший обсяг і площу поширення мають відходи гірничодобувної промисловості. Наприклад, у Донецьку площа під териконами займає 15 км² , без інших видів відкладів. Крім насипних техногенних відкладів, виділяють намивні, представлені переміщеними за допомогою гідротранспорту матеріалами. У таких містах України, як Київ і Харків, є житлові райони, побудовані на намивних пісках. Для районів видобутку корисних копалин характерні намивні відклади відходів збагачення руд.

Недооцінка властивостей сучасних техногенних відкладів може привести до розвитку небезпечних геологічних процесів, деформації і руйнування будинків і споруд, та людських жертв [14].

Розділ 3. Зміна міських територій під дією антропогенного навантаження

3.1 Антропогенний вплив на геологічне середовище міста

Антропогенний вплив на компоненти геологічного середовища міст виявляється в наступних аспектах:

- зростанні інтенсивності вивітрювання за рахунок зміни складу атмосферного повітря (випадання кислотних дощів і кислотних рос);

- зміні рівня ґрунтових вод і їх складу, що приводить до зміни властивостей порід несучої основи;

- зміні складу літогеної основи міських територій за рахунок відсипання і намиву техногенних відкладів і аерозольних випадань з атмосфери;

- зміні характеристик фізичних полів у межах міських агломерацій.

Під впливом перетворення рельєфу, регулювання поверхневого стоку, витоків з водоносних комунікацій відбувається зміна гідрогеологічного режиму міської території. Наслідком є підвищення рівня ґрунтових вод, а нерідко і підтоплення певних ділянок міста. Пов'язане з цим водонасичення порід знижує їх міцність і приведе до деформації і руйнування будинків і споруд [14].

Фізичний вплив великого міста з розвинутою транспортною мережею, великим промисловим і енергетичним потенціалом виявляється в місцевій зміні температурного, електричного і магнітного полів. Виникають вібраційні поля. Створюється так називане фізичне забруднення геологічного середовища міста.

Виявляючись на локальній території, ці техногенні фізичні поля по інтенсивності значно перевершують природні аналоги, створюючи на території міста високі градієнти характеристик. Техногенний вплив надає геологічному середовищу додаткову кількість енергії через статичні (вага споруд), динамічні (вібрація), температурні й електричні поля. Нагромадження надлишкової енергії в середовищі, яка служить основним фундаментом або вміщає інженерні споруди і комунікації, несе в собі небезпеку погіршення якості цього середовища.

Вплив вібраційного поля на літогенну основу міського середовища є різним в залежності від типу порід, на які впливає вібрація. Скельні і напівскельні ґрунти з пружними властивостями, передають вібрацію від джерела до об'єкта впливу без значного поглинання енергії коливань. При вібраційному впливі на дисперсні породи найчастіше відбуваються необоротні зміни їхньої структури, наслідком чого є зменшення міцності, нерівномірне ущільнення і т.п. При нахилі масиву порід та прояві таких геологічних процесів, як зсуви, обвали, карст, пливунні явища, вплив вібрації може викликати переміщення порід і тим самим значно підсилити інтенсивність і негативні наслідки цих явищ. Основним джерелом вібрації стосовно літогеної основи території й інженерних об'єктів, які знаходяться в ній, є транспортні магістралі. За верхню межу припустимого вібраційного впливу на геологічне середовище приймається 73 дБ, що відповідає швидкості переміщення часток породи приблизно 225 * 10^{- 6} м/с. Ці умови створюються, коли поряд з автомобільним транспортом або незалежно від нього функціонує рейковий транспорт із регулярним рухом. Стимулює прояв обально-зсувних процесів у сполученні з вібрацією підрізування схилів при прокладці транспортних магістралей, виїмка великої кількості породи при будівництві й інші зміни рівноваги в межах масивів порід і ґрунтів.

Теплове забруднення геологічного середовища в містах являє собою підвищення її температури щодо природних значень. На території великого міста порушення температурного режиму може спостерігатися до глибини 100-150 м і більш. При цьому на горизонтах 10-30 м спостерігається тенденція до розширення по площі геотермічних аномалій з підвищенням на 2-6° С фонових значень температури гірських порід і підземних вод.

Під впливом надлишкового тепла може відбуватися локальне просушування порід зі зміною їх міцності. З підвищенням температури ґрунтових вод зростає швидкість хімічних реакцій у зоні їхнього контакту з матеріалами підземних споруд. Встановлено, що швидкість корозії будівельних марок сталі лінійно зростає при зміні температури від 0 до 80°С. Збільшення температури порід і підземних вод активізує діяльність мікроорганізмів, які є агентами біокорозії. Найбільш розповсюдженими джерелами теплового забруднення геологічного середовища міських територій є магістральні теплопроводи і мережі гарячого водопостачання.

На ділянках проморожування ґрунтів при будівництві котлованів в обводнених умовах і прокладці трас метрополітену в складних інженерно-геологічних умовах під впливом холодоносія з температурою від -10 до -26°С істотно змінюються властивості водонасичених порід, порушуються сформовані режими водо-, массо- і теплообміну, мікробіоценозів [14].