Инженерно-геологические особенности сарматских глин краевых прогибов юга Русской платформы

Сарматские отложения довольно широко распространены на территории России и в сопредельных странах, и находятся в пределах глубин залегания фундаментов инженерных сооружений на большой территории от Карпат до Прикаспия. Наибольшую проблему для строительства представляют набухающие глины, относящиеся к структрурно-неустойчивым грунтам, которые при изменении влажности меняют свои строительные свойства.

Актуальность исследований заключается в следующем. Промышленно-хозяйственное освоение территорий неизбежно влекут за собой нарушение баланса компонентов природной среды. В результате изменяется режим подземных вод, увеличивается влажность массивов глинистых пород, может происходить их подтопление, сопровождаемое набуханием грунтов в основаниях сооружений и образованием оползней на склонах. При увлажнении глин и длительном их взаимодействии с водой изменяются почти все их свойства, существенно повышается сжимаемость и уменьшается прочность. Следует отметить, что в настоящее время отсутствует единая общепринятая методика прогнозирования показателей свойств глин при их увлажнении и длительном взаимодействии с водой, сопровождаемым диффузионным выщелачиванием. Методы прогноза прочности глин на основе их кратковременного замачивания, применяемые в проектно-изыскательных организациях, не могут обеспечить надежные значения показателей удельного сцепления и угла внутреннего трения, т.к. не учитывают изменения состава и свойств глин, происходящие в течение продолжительного времени взаимодействия последних с водой.

В связи с вышеизложенным, цель настоящих исследований формулируется следующим образом: на основе анализа инженерно-геологических особенностей сарматских глин краевых прогибов юга Русской платформы и оценки изменчивости свойств при длительном воздействии воды, разработать методику прогноза показателей их прочности в основаниях инженерных сооружений.

Достижение указанной цели автор видит в решении следующих задач.

1. Дать общую геологическую характеристику территории краевых прогибов юга Русской платформы.

2. Оценить палеогеографические условия накопления осадков и формирования сарматских глин.

3. Изучить состав и свойства сарматских глин двух опорных регионов: Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья.

4. На основе анализа результатов лабораторных экспериментов с учетом опубликованных данных установить основные закономерности изменения состава и свойств сарматских глин при диффузионном выщелачивании.

5. Разработать методику прогноза показателей прочности сарматских глин при длительном воздействии воды.

Исходные материалы и личный вклад автора. При выполнении диссертационной работы использованы результаты лабораторных исследований глин, выполненные в разные годы в Институте геофизики и геологии АН Молдовы, институте «МолдГИИНТИз», различных проектных институтах Молдавии (г. Кишинев) и в Северо-Кавказском филиале ПНИИИСа (г. Ставрополь) при производстве инженерно-геологических изысканий на различных объектах и специальных работ по научно-исследовательской тематике. Кроме этого, использован обширный опубликованный материал.

Автором диссертационной работы непосредственно выполнены следующие исследования:

1. Статистический анализ показателей свойств сарматских глин из Центрального Предкавказья.

2. Проанализированы результаты изучения структурно-текстурных особенностей сарматских глин оптическими методами.

3. Проанализированы результаты лабораторных определений сейсмоакусти-ческих свойств грунтов и рассчитаны регрессионные зависимости скорости распространения продольных волн от показателей свойств глин.

4. Проанализированы результаты лабораторных исследований партии образцов глин при диффузионном выщелачивании.

5. Выполнены расчеты и составлены таблицы эмпирических вероятностей прогнозных факторов для обоснования использования метода вероятностных аналогий при прогнозировании прочности сарматских глин.

6. Проанализирован большой объем информации по геологии и свойствам пород.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем.

1. Установлено, что сарматские глины Центрального Предкавказья и Северного Причерноморья существенно различаются по основным показателям состава, состояния и физико-механических свойств.

2. Экспериментально доказано, что для слабозасоленных сарматских глин, сформировавшихся в закрытом морском бассейне, направленность процессов диффузионного выщелачивания и изменение инженерно-геологических свойств определяется количеством пирита, а так же среднеи слаборастворимых солей.

3. Доказана применимость метода вероятностных аналогий для прогноза прочности глин, подвергающихся длительному диффузионному выщелачиванию.

Практическое значение работы заключается в следующем.

1. Разработана методика прогноза показателей прочности сарматских глин Северного Причерноморья в основаниях инженерных сооружений при длительном воздействии воды, которая может найти свое применение при проектировании оснований и фундаментов инженерных сооружений на участках распространения сарматских глин на территории Украины и-Молдовы.

2. Установлено, что для разработки метода прогноза прочности сарматских глин Центрального Предкавказья исследования должны быть продолжены, так как глины данного региона существенно отличаются по основным показателям состава и свойств от сарматских глин Северного Причерноморья.

3. Дана количественная оценка общей и остаточной прочности сарматских глин, предложены регрессионные зависимости для прогноза остаточной прочности глин на оползневых территориях.

4. Получены скоростные характеристики распространения сейсмоакустиче-ских волн и выявлена их связь с показателей свойств для сарматских глин природного сложения и влажности, после длительного диффузионного выщелачивания и «бесструктурных» образцов. Эти данные могут найти свое применение при оценке сейсмических свойств грунтов на сейсмоопасных территориях юга России и сопредельных государств.

Кроме этого, ряд теоретических положений и методических разработок диссертации, используются автором при проведении занятий в университете со студентами, изучающими дисциплины инженерно-геологического и гидрогеологического циклов.

Публикация и апробация работы. Основные-положения диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе 5 — в изданиях рекомендованных ВАК РФ. Апробация работы осуществлена на 6 научных форумах. Материалы исследований обсуждались на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2007г) — Ежегодной студенческой научно-технической конференции ВолгГАСУ (Волгоград, 2007г) — Ежегодной научно-практической конференции профессоро-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ (Волгоград, 2008г) — Ежегодных чтениях в РАН (Сергеевские чтения) 2008 г, 2009гV Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2009г) — Международной научной конференции в МГУ «Актуальны вопросы инженерной геологии и экологической геологии» (Москва, 20 Юг).

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕНННОСТЬ САРМАТСКИХ ГЛИН.

Впервые сарматские слои были отделены от остальных третичных отложений в 1847 году Гернесом в Венском бассейне. Термин «сарматский ярус» впервые был применен австрийским геологом в 1866 году Э. Зюссом, который предложил заменить «церитоновые пласты» русского геолога Н. П. Баррбот де Марни и после этого дал подробное описание сарматского яруса. Сарматские отложения широко распространены в южной Европейской части Русской платформы и залегают по берегам Черного моря, в Крыму, на Кавказе и переходят по другую сторону Каспия. Вся территория, которая покрыта сарматскими отложениями, представляла собой морской бассейн с несколькими небольшими заливами [5].

Первые сведения о неогеновых отложениях Северного Кавказа появились в 1865 году и связаны они с Г. В. Абиха. Он расчленил керченский сармат на четыре части: нижние темные сланцевые глины, известняки и мергели, светлые сланцевые глины и мшанковый известняк [2]г.

В 1886, 1887гг на территории Ставрополья Д. Л. Иванов расчленил неогеновые отложения на два яруса: среднеземноморский (аналоги чокракского известняка) и сарматский (спанаодотовый пласт). Выдающийся русский геолог Н. И. Андрусов, внесший огромный вклад в изучение неогеновых отложений юга России в конце 19 века, большое внимание уделял изучению геологической истории Понто-Каспийского бассейна [3, 4, 5]. Он первый дал подробное и полное описание сарматских отложений этой области и предложил разделить их на три части: нижний отдел (эрвилиевые слои Синцова и их эквиваленты в Бессарабии), средний отдел (нубекуляриевые слои и их эквиваленты) и верхний отдел (с Mactra caspia Eichw), составил карту сарматского моря и охарактеризовал палеогеографические условия накопления в нем осадков.

В 1901;1917гг геологический комитет, изучая территорию Предкавказья [5], использует геологическую съемку, с помощью которой составляются первые геологические карты территории. При этом на протяжении всего периода Исследования в Удельной степи Ставропольской губернии К. А. Прокопова в 1910 году, позволили разделить в среднем сармате слои с фауной, с крипто-мактрами, приближающейся к типичной среднесарматской, и с типичной среднесарматской фауной.

Исследования, проводимые в 20−30 годы К. А. Прокоповым, В.П. Колес-никомым и др., позволили уточнить и детализировать схему стратиграфического деления неогена. С 1923 по 1933 гг. была практически закончена пятиверстная геологическая съемка Предкавказской равнины (В.П. Колесникомым, С. А. Гатуев, П. А. Православлев, В.А. Кузнецов) [22, 23, 24, 44, 45, 50, 96]. В 1939 году началось применение колонкового бурения. В 1940 году обстоятельные работы по сармату Предкавказья были выполнены В. П. Колесниковым, посвященные неогену [46]. В связи, с необходимостью поиска новых месторождений полезных ископаемых, в послевоенное время возобновились изучения неогеновых отложений. Наиболее крупными работами, в которых рассматривались сарматские отложения, являются геологические карты Кавказа и к ней пояснительная записка, составленные К. Н Паффенгольца [88, 89]. В 1963 году по геологическому строению Кавказа составили Е.Е. Миланов-ский и В. Е Хаин [60]. В 1953 и 1958 году Б. П. Жижченко подверг критическому рассмотрению вопросы стратиграфии кайнозоя Крымско-Кавказской области [39, 40]. В результате изучения керна буровых скважин Н. С. Волкова в 1956 г были получены новые данные по стратиграфии и литологии неогена Центрального Предкавказья, в частности сарматских отложений. В 1968 году вышли в печать две книги, посвященные геологическому строению Кавказа [27,61].

Инженерно-геологические исследования сарматских глин Центрального Предкавказья в это время не проводились. Однако, качественная оценка строительных свойств сарматских глин на территории Армавир-Ставрополь — Петровское, дается в отчетах С. И. Чарноцкого в 1912 и 1914гг., где он указывает на их плотность, что они обладают способностью довольно быстро выветриваться и распадаться на листочки, и с этим связывается возможность возникновения оползней при появлении воды.

После войны развернулись новые инженерно-геологические исследования, в основном Пятигорским филиалом института «Южгипроводхоз», где Ю. И. Шпильбергом в 1958 г были получены новые данные по физико-механическим свойствам сарматских глин. Согласно которым они обладают достаточно высокой пластичностью, твердой консистенцией, малой сжимаемостью и находятся в переуплотненном состоянии. Глины выветрелой зоны отличаются от нижележащих меньшей плотностью и несколько большей сжимаемостью. В 1964 году Э. В. Запорожченко анализирует материалы инженерно-геологических исследований и уделяет внимание 'характеристикам нижнесарматских криптомактровых глин. Где указывает, что сарматские глины имеют более крутые склоны, чем майкопские глины.

В 1959 году С. А. Шагоянцем была составлена Схематическая инженерно-геологическая карта Северного Кавказа [123]. В 1965 году Э. В. Запорожченко и Ю. И. Шпильберг была составлена карта инженерно-геологического районирования Северного Кавказа и Северо-Восточного Предкавказья. На этой карте выделен район распространения глубоководных нижнесарматских и криптомактровых глин. В последующие годы П. В. Царевым и А. И. Клименко было выполнено более обстоятельное инженерно-геолгическое районирование Северного Кавказа [121].

В 70 годы сарматские глины стали все чаще привлекать внимание исследователей в связи с развивающимся массовым строительством. В 1966 году Абелев и др. исследовали набухаемость глин и разработали методы строительства на глинах Предкавказья [1]. В 1965 году A.M. Монюшко и А. И. Клименко изучили состав и свойства сарматских глин [63]. В 1967;1968гг проводилось изучение сарматских глин, как сырья для производства керамзита [118, 119]. Также на территории Закавказья, в связи с проблемой минеральных вод исследовались поровые растворы сарматских глин [120].

Исследования сарматских глин в 80-х годах выполнялись СКФ ПНИИ-ИСа. A.M. Монюшко и С. И. Пахомов разработали методические основы прогноза изменения свойств глин при обводнении. Выделены основные факторы, влияющие на изменение свойств. Для прогноза рекомендовано использовать «коэффициент устойчивости» [65, 90].

Первые сведения геологического характера о Молдавии приурочены к первой половине 19-века и связаны с работой Д. Кантемира «Описания Молдавии». Геологические исследования региона в конце 19-го и начале 20 века (до 1918 года) выполняла экспедиция Геолкома (Г.П.Михайловским, H.A. Григорович-Березовским, А. Н. Криштофовичем, во главе с O.K. Ланге). Следует отметить, что работы, проводимые отрядом МГУ в 1915 году, позволили дать характеристику оползней Бессарабии и определить причину их образования. При этом большая часть изученных оползней приурочена к крутым склонам и сложены они песчано-глинистыми сарматскими породами.

В период с 1945 по 1960 г. ведутся работы по комплексному изучению природных ресурсов Молдовы. В связи с программой восстановления народного хозяйства и массового строительства были созданы проектные институты Молдавстройпроект, Молдкоммунпроект. Местпромпроект, Молдгипрострой и другие, которые осуществляли основной объем проектно-изыскательских работ для строительства. Большая часть исследований проводилась с целью определения физико-механических свойств грунтов. Эти определения были немногочисленными и ограничивались в основном физическими характеристиками грунта (пористостью, плотностью, влажностью). Механические свой-С1ва, такие как набухаемость, прочность, пористость изучались редко, в основном на площадках гидротехнических сооружений.

К 1950 году была выполнена геологическая съемка Молдавии и составлена геологическая карта. Общегеологические работы, по ее созданию помогли изучить характеристики основных генетических типов грунтов (возраст, литологический состав, условия залегания и распространения, мощность). Проведенные исследования глин среднесарматского возраста морского генезиса, представленные на юге Русской платформы помогли выделить проблемы инженерного освоения территории, т.к. подтопление, просадочность, сейсмичность и дать более новые рекомендации для внедрения в практику строительства количественных методов прогнозирования подтопления [74].

Планомерные научные исследования инженерно-геолгических особенностей сарматских глин выполнялись в 90-х годах в Институте геофизики и геологии АН Молдавии и в ПНИИИСе для целей мелиорации и водоснабжения. Была получена детальная характеристика состава и свойств сарматских глин. Ю. И. Олянским [69] разработана инженерно-геологическая типизация сарматских глин по устойчивости к длительному воздействию воды [74]. Особенности изменения свойств сарматских глин при взаимодействии с химическими растворами изучались В. М. Вовком [71]. Изменения свойств сарматских глин при выветривании исследовались О. П. Богданович [72]. Сотрудники ПНИИИС P.C. Зиангиров, A.A. Аносова, Г. И. Клинова, Т. И. Робустова занимались изучением сарматских глин в связи с прогнозом оползневой опасности и изменения их свойств при обводнении [7, 8, 9, 10, 42].

В основных направлениях экономического и социального развития страны на 1986;1990 годы и на период до 2000 года значительное внимание было уделено капитальному строительству, включая реконструкцию зданий и сооружений. Для этого Ю. М. Абелевым и др. [1], Е. А. Сорочан [112, 113] были проведены исследования, позволившие уточнить закономерности процесса набухания и усадки грунта (в т.ч. и сарматских глин), разработать методики изучения свойств набухающих грунтов и усадки грунта, выявить закономерности в работе фундаментов при взаимодействии их с такими грунтами, предложить уточненные методы прогноза деформаций и определения оптимальных нагрузок, передаваемых на фундаменты [112, 113].

В 1994 году появилась в печати статья П. А. Лященко о модели деформации структуры глинистого грунта, где впервые экспериментально было обнаружено явление циклического изменения скорости деформации образца глинистого грунта, при компрессионном сжатии непрерывно возрастающей нагрузкой [55].

В начале нового столетия большое количество публикаций по инженерно-геологическим свойствам сарматских глин появилось в трудах ВолгГАСУ [75, 76, 78, 82, 84], Ежегодные Сергеевские чтения [74, 79, 80] и журнале Геоэкология [83]. В этих публикациях обобщались и анализировались результаты и исследования сарматских глин, выполненные Ю. И. Олянским в предыдущие годы. Авторами публикаций являются сотрудники кафедры Гидротехнических и земляных сооружений: Ю. И. Олянский, А. Н. Богомолов, С. И. Шиян, Е. В. Щекочихина и др. Главным достижением в изучении проблемы в этот период является разработка методики прогноза прочности сарматских глин в условиях длительного взаимодействия с водой на примере сарматских глин Северного Причерноморья.

Анализ инженерно-геологической изученности сарматских глин позволил сделать следующие выводы:

1. За период более чем 200 летнего геологического изучения сарматских отложений (в т.ч. и глин) на территории южной части Русской платформы в основном решены проблемы их стратиграфии, литологии, генезиса, условий залегания и распространения. Установлено, что сарматские глины часто обнажаются на склонах и являются причиной образования оползней или служат основанием инженерных сооружений на значительной территории Северного Причерноморья и Центрального Предкавказья.

2. Инженерно-геологические исследования сарматских глин насчитывают значительный период и проводились, в основном, в послевоенный период (начиная с 5Ох годов прошлого столетия). А систематические планомерные исследования выполнялись, начиная с 70х годов прошлого столетия, и были сконцентрированы в двух регионах: Северное Причерноморье (на территории Молдавии и Украины) и Центральном Предкавказье (Ставропольский край).

3. Степень инженерно-геологической изученности глин обеих регионов достаточно высокая. Однако даже беглое знакомство с составом и физикомеханическими свойствами грунтов наталкивает на мысль об их различии, несмотря на близкие условия залегания, распространения, одинаковый возраст и генезис. Причиной этому служат, вероятно, какие-либо постгенетические процессы в настоящее время появляющиеся в одном регионе и отсутствующие в другом.

4. Основной проблемой инженерно-геологического изучения сарматских глин на настоящем этапе является прогноз изменения их свойств при длительном воздействии воды в основаниях инженерных сооружений. Общепринятой методики прогноза для глинистых грунтов в настоящее время не существует. Наиболее близко в своих исследованиях подошли к решению данной проблемы A.M. Монюшко и Ю. И. Олянский. Первый предложил теоретические основы такого прогноза на примере грунтов Центрального Предкавказья, а второй разработал для Северного Причерноморья типизацию сарматских глин по устойчивости к обводнению.

Рис. 2.1 Обзорная карта.

1 — Центральное Предкавказье.

2 — Северное Причерноморье пространство между долинами рек Калаус и Кумы. К востоку, в сторону реки Кумы, их высота постепенно снижается. Также в пределах возвышенности выделают обширные котловины. Среди них Сенгилеевская (200м), расположенная у западного подножья Ставропольских высот, и Янкульская (300м) — к востоку от горы Стрижамент [25, 26, 27].

Территория Молдовы расположена в юго-западной части Русской равнины и занимает значительную площадь Днестровско-Прутского междуречья.

ВЫВОДЫ.

1. Сарматские глины в краевых прогибах юга Русской платформы служат основанием инженерных сооружений на значительной территории Северного Причерноморья и Центрального Предкавказья, и часто является причиной образования на склонах оползней.

2. Глинистые породы сармата накапливались в Сарматском морском бассейне, восточная часть которого характеризовалась повышенной соленостью воды, по сравнению с западной, где происходило разбавление речным стоком с Русской платформы. Вследствие этого, на востоке сформировались глинистые породы с более высокой минерализацией порового раствора, чем на западе.

3. Различия в химическом составе поровых вод обусловили разную степень агрегатизации грунтовых частиц: на востоке — более высокую, чем на западе, что нашло свое отражение в существенном различии микроагрегатного состава глин обеих регионов при достаточно одинаковом их гранулометрическом составе. Последний, свидетельствует об одной площади сноса терригенного материала — Русской платформы.

4. Постгенетические преобразования глинистых пород, вследствие залегания их в различных по степени увлажнения климатических зонах, совместно с разными условиями осадконакопления обусловили различия в показателях физических свойств глин обеих регионов: на востоке это более влажные, менее плотные сильнопористые отложения, а на западе — прямо наоборот.

5. Все различия в составе и физических свойствах глин обеих регионов нашли свое отражение в их набухаемости и прочности. Более засоленные глины Центрального Предкавказья, отличающиеся повышенной влажностью, набухают меньше, чем одновозрастные отложения из Северного Причерноморья. Давление набухания первых в среднем на 1 порядок меньше, чем вторых. Такая же закономерность имеет место и с прочностью, но различия в показателях прочности несколько меньше.

6. Выщелачивание менее засоленных глин Северного Причерноморья в лабораторных условиях показало, что вследствие разуплотнения прочность их снижается в 2−4 раза, в зависимости от наличия в исходном образце пирита. Более интенсивно разуплотняются и разупроняются глины, не содержащие пирита.

7. Прогноз прочности сарматских глин, подвергающихся длительному воздействию воды в основаниях инженерных сооружении, достаточно надежно может, осуществляется методом вероятностных аналогий с использованием региона-аналога и эмпирических оценок вероятностей прогнозных факторов.