Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние изученности инженерно-геологических условий Волгоградского мегаполиса и их изменений под влиянием техногенеза . 12
Глава 2. Инженерно-геологические особенности территории Волго-градского мегаполиса 18
2.1. Солянокупольная тектоника Волгоградского мегаполиса 18
2.2. Влияние соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона 30
2.3. Строение земной коры, фундамента и осадочного чехла 43
Глава 3. Геоморфологические условия. 63
Глава 4. Гидрогеологические условия 68
Глава 5. Состав и физико-механические свойства пород 72
Глава 6. Современные геологические и инженерно-геологические процессы 142
Глава 7. Пространственные закономерности инженерно-геологических условий 197
7.1. Инженерно-геологическое районирование 197
7.2. Распространение специфических грунтов 209
7.3. Распространение геологических и инженерно-геологических процессов 221
Глава 8. Условия формирования геофизических и геохимических аномалий на территории мегаполиса 230
8.1. Сравнительный анализ условий эманирования изотопов Радона в Волгоградском мегаполисе и прилегающих территориях 230
8.2. Характер аномалий на Красноармейско-Паромненской соляной антиклинали 241
8.3. Условия формирования геофизических и геохимических аномалий над соляными куполами 251
8.4. Пространственные закономерности линеаментов в Волгоградском Прикаспии 260
Глава 9. Инженерно-геологическое обоснование проектирования и строительства оснований и фундаментов на территории мегаполиса 265
9.1. Сравнительная характеристика инженерно-геологических условий Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в границах Волгоградского мегаполиса 266
9.2. Исследование закономерностей несущей способности оснований и фундаментов 268
Заключение 273
Список использованной литературы 274
- Влияние соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона
- Современные геологические и инженерно-геологические процессы
- Сравнительный анализ условий эманирования изотопов Радона в Волгоградском мегаполисе и прилегающих территориях
- Сравнительная характеристика инженерно-геологических условий Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в границах Волгоградского мегаполиса
Введение к работе
Актуальность проблемы. Сравнительный анализ инженерно-геологических проблем территорий мегаполисов юга России характеризует ситуацию как экстремальную.
Наиболее изученной и представительной территорией является Волгоградский мегаполис, где загрязнены грунтовые, поверхностные воды и атмосфера на площади 972 квадратных километра. В г. Волжском, построенном полвека назад, грунтовые воды до начала строительства располагались на глубине 27 м, а в настоящее время – на глубине 3,4-5 м. Скорость подъема уровня грунтовых вод (УГВ) колеблется от 0,15 до 1,3 м в год.
Мегаполис включает территорию двух городов – Волгограда и Волжского с населением соответственно 1 млн. и 0,5 млн. человек и представляет крупнейший центр Нижнего Поволжья. Протяженность – 102 км при ширине 3-10 км. Гидрогеологические условия мегаполиса характеризуются наличием 19 водоносных горизонтов. Первые работы, оценивающие значимость инженерно-геологических процессов на территории мегаполиса, относятся к 60-м годам. Изучение их было продолжено автором и другими исследователями, однако лишь сейчас в связи с систематизацией материала по региону в целом можно судить о масштабе этой проблемы.
В мегаполисе зафиксировано более 470 участков подтопления зданий и сооружений, вызванных подъемом УГВ. Территории заводов и жилых кварталов подтоплены практически полностью, и фундаменты находятся ниже УГВ. В районах распространения набухающих глин отмечаются участки интенсивного набухания, в результате чего происходят поднятия поверхности земли, деформации фундаментов, разрыв коллекторов, разрушение асфальтовых покрытий, выпор полов, появление трещин в зданиях. В городе в результате набухания деформировано 145 зданий и сооружений.
Изменения в подземной гидросфере являются важнейшей причиной образования 95 из 117 зафиксированных в городе оползней. Стоимость берегоукрепительных работ составляет от 3 до 7 млн. руб. на 1 км берега, а протяженность береговой полосы мегаполиса составляет более 100 км. Затраты, предусмотренные схемой инженерной защиты Волгограда от подтопления, превышают 770 млн. руб. в ценах того времени. Таковы издержки недостаточно грамотного освоения территории.
В Ростовском мегаполисе подтопленными являются 60 км2 (43% площади). За последние 30 лет рост нагрузки на геологическую среду привел к ее критическим трансформациям. Если УГВ на незастроенных территориях находились на глубинах 18-30 метров, то в результате урбанизации УГВ поднялся на 15-20 м. до отметок 1-2 метра от поверхности; скорость подъема УГВ достигала 1 м в год.
Подтопление провоцирует деградацию прочностных свойств грунтов, что обусловливает развитие опасных процессов, таких как оползни, просадки, набухание, провалы и др. Они наблюдаются во всех техногенно-подтопленных городах ЮФО.
На территориях, сложенных лессовыми породами, происходят повышение их влажности и просадки грунтов. 24% от изученных 1996-и аварийных домов и 76% их аварийных деформаций приходятся на утечки из коммуникаций. Аварийные деформации более 400 зданий от просадок в г. Ростове-на-Дону произошли из-за изменения влажности лессов с 0,4 до 0,8. Модуль деформации грунтов уменьшился в 5-7 раз; в замоченных суглинках несущая способность свай (НСС) снизилась на 20-40%. Процессы в г. Ростове-на-Дону, развивающиеся из-за прогрессирующего подтопления, следует считать экологическим бедствием.
Интенсивный подъем УГВ и подтопление отмечаются в Саратовском мегаполисе. Главной причиной подтопления является ликвидация естественной дренажной сети – балок и оврагов. В центре города УГВ за 15-летний период поднялся на 4,5-5 м. Подъем УГВ и подтопление отмечаются на территории ТЭЦ, где до начала строительства УГВ находился на глубине 12-14. В скважине 416 в центре г. Саратова глубина УГВ в 1930 г. была равна 16 м, в 1950 – 14 м, в 1970 – 10 м, 1980 – 7 м. В период 1990-2010 г. уровень воды стабилизировался на глубине 4 м.
Подтоплению подвержено более 50% застроенной территории Саратова, в том числе 22 км2 жилой застройки.
Из опасных геологических процессов в пределах г. Саратова и его окрестностей наиболее широко развиты эрозионные и суффозионно-карстовые процессы, а также заболачивание, подтопление и оползневые явления. На территории города существует более 30 активных оползневых зон; каждый год происходит 1-2 оползневые подвижки.
Проблемы подтопления и сопутствующих процессов не ограничиваются рассмотренными мегаполисами и характерны для других городских территорий. В качестве примера рассмотрен г. Новочеркасск, который входит в число 2000 крупных городов мира с населением более 100 тыс. человек. В этом городе 50% занимаемой площади подвергается интенсивному подтоплению грунтовыми водами с высокой минерализацией, агрессивностью и загрязненностью техногенными продуктами. В целом территория Новочеркасска по состоянию почв и подземных вод относится к зоне чрезвычайной экологической ситуации.
Еще один пример посвящен Астраханской городской агломерации (500 тыс. жителей), где подтоплена территория общей площадью 210 км2, из них 30 км2 занимают водоемы. Анализ распределения этих участков в зависимости от ИГУ показал, что в районах, сложенных глинистыми и лессовыми породами, подтопление развивается при любом типе застройки в селитебной зоне и на предприятиях любой отрасли промышленности в промышленной зоне. На 30% территории УГВ залегает на глубине 0,5 м, на 35% – 1 м, а на остальной площади глубина залегания УГВ превышает 1,5 м. В районах развития песчаных отложений подтопление отсутствует из-за хорошей дренированности территории.
Цель работы состоит в выявлении закономерностей инженерно-геологических условий (ИГУ) Волгоградского и других мегаполисов юга России, их влиянии на приповерхностную часть литосферы, природно-технические системы и среду обитания человека для прогноза и предупреждения негативных последствий.
Для достижения цели решались следующие задачи:
анализ современного состояния изученности ИГУ территории;
изучение инженерно-геологических особенностей Прикаспийской впадины;
анализ влияния соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона;
изучение особенностей геологических, тектонических, геоморфологических, гидрогеологических (ГГУ), геодинамических условий, состава и физико-механических свойств (ФМС) грунтов;
анализ пространственных закономерностей ИГУ, детализация и уточнение карты и схемы ИГР территории;
изучение геофизических и геохимических аномалий, обусловленных соляными структурами;
сравнительная характеристика ИГУ Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в условиях Волгоградского мегаполиса;
инженерно-геологическое обоснование проектирования и строительства оснований и фундаментов на территории мегаполиса;
исследование закономерностей несущей способности оснований и фундаментов.
Научная новизна:
выполнено теоретическое обоснование включения в схему ИГР Волгоградского мегаполиса нового ИГ района, называемого районом распространения песчаных грунтов прирусловых отмелей и осередков;
в результате расширения границ мегаполиса за счет ранее неосвоенных территорий обнаружены и изучены скифские глины, которые по физико-механическим свойствам соответствуют аналогам на территории к западу от мегаполиса;
на базе собственных разработок и анализа обширных фондовых материалов доказан комплексный характер влияния подтопления на загрязнение литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы в условиях ПКВ;
детализирована и уточнена схема структур Паромненско-Красноармейской соляной антиклинали и распространения тектонических разломов, что подтверждается картами Г.А. Бражникова и А.Л. Лосева. Выявлен однотипный характер скоростей вертикальных движений структур;
обосновано и подтверждено инструментальными наблюдениями формирование над соляными куполами зон растяжения с повышенной трещиноватостью, флюидопроницаемостью, усиленным газо- и водообменом;
выявлено формирование над соляными куполами геофизических и геохимических аномалий как потенциальных геопатогенных зон.
Методы исследований. При выполнении работы использовались методы сравнительного анализа и обобщения, математической статистики, механики грунтов, оснований и фундаментов, картографирования, районирования, инженерной геологии и неотектоники.
Обоснованность и достоверность результатов исследований обоснована корректным использованием общепринятых математических и статистических методов, многолетними исследованиями автора в области инженерной геологии, оснований и фундаментов, картографирования, большим объемом лабораторных и опытно-полевых исследований и положительным опытом практической реализации результатов.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Прогноз негативных изменений в массивах горных пород, рельефе, ГГУ, опасных геологических процессах может использоваться и используется в проектных, строительных и изыскательских организациях Нижнего Поволжья при разработке защитных мероприятий. Результаты исследований автора, включая испытания уникальных глубоких забивных и буронабивных свай статическими и динамическими нагрузками, использовались при строительстве ряда многоэтажных зданий. Теоретические положения и методические разработки используются в учебном процессе в ВолгГАСУ при чтении лекционных курсов «Инженерная геология» и «Геоэкология».
Фактический материал. Работа выполнена на основе исследований автора, проведенных во время работы соискателем и обучения в аспирантуре и докторантуре на кафедре инженерной геологии и геоэкологии ВолгГАСУ. Был также использован большой объем опубликованной литературы и фондовых материалов: буровых, геологических, инженерно-геологических, ГГУ и других исследований различных изыскательских организаций: НижневолжТИСИЗ, ЗАО «Радиан», ООО «Стройинвест», Гипроводстрой и других.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Детальная характеристика геологического строения, тектоники, геоморфологических, геодинамических условий, ГГУ, состава и свойств грунтов мегаполиса применительно к различным типам фундаментов.
2. Пространственные закономерности ИГУ, детализация и уточнение на основе новых данных схемы ИГР территории.
3. Оценка, сравнительный анализ и прогноз изменений ИГУ ряда мегаполисов и городов юга России.
4. Зависимости прочностных и деформационных свойств важнейших типов грунтов от их состава и физических свойств, значения несущей способности различных типов свай в основных типах ИГР.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на отечественных и международных совещаниях и конференциях: «Экология, охрана среды, строительство» (Волгоград, 2001); «Петрографические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии» (Москва, 2002 г.); «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», (Волгоград, 2002 г.); «Единый Каспий: Межгосударственное сотрудничество и проблемы экономического и социального развития региона», (Астрахань, 2002 г.); «Архитектура, строительство, экология», (Барселона, 2002 г.); «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003 г.); «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства региона» (Михайловка, 2006 г.); «Мониторинг геологических, литотехнических и эколого-геологических систем» (Москва, 2007 г.); «Региональные проблемы экологической безопасности природных и антропогенных объектов» (Липецк, 2007 г); «Инновационные ресурсы для развития строительства доступного и комфортного жилья в Волгоградской области» (Волгоград, 2008 г.); «Ученые Волгограда – развитию города» (Волгоград, 2009); «Водохозяйственные проблемы и рациональное природопользование» (Оренбург, 2008); «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии» (Москва, 2010 г.).
Публикации. Основные результаты опубликованы в 35 работах, из которых 1 монография и 9 по списку, рекомендованному ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация объемом 300 страниц состоит из введения, 9 глав, заключения, 55 таблиц, 54 рисунка. Список использованной литературы включает 300 наименований.
Автор глубоко признателен научному консультанту проф. В.Н. Синякову за его поддержку, внимание и сотрудничество на всех этапах работы. Автор искренне признателен сотрудникам кафедры инженерной геологии и геоэкологии за внимание к работе, доброжелательность и поддержку.
Влияние соляной тектоники на инженерно-геологические условия региона
Среди 1758 соляных куполов на территории Прикаспийской впадины (ПКВ) наибольший интерес представляют так называемые открытые купола, в которых соляные ядра выходят на дневную поверхность. Соляные антиклинали представляют складки вытянутой формы, часто осложненные в верхней части соляными куполами. Они характерны для прибортовых зон бассейнов.
Отрицательные соляные структуры. Межкупольные депрессии оформились как отрицательные структуры одного ранга с куполами в результате оттока соли к этим куполам. В отличие от них компенсационные мульды, мульды оседания и грабены возникли внутри массивов соляных куполов и антиклиналей и являются вторичными структурами [73].
Межкупольные депрессии распространены так же часто, как и сопряженные с ними купола, и обладают большой площадью. Наибольший интерес представляют сквозные депрессии, где соль полностью отжата и отсутствуют предпосылки для развития неблагоприятных процессов, связанных с растворением и перемещением соли.
Компенсационные мульды возникают в верхней части куполов под влиянием перераспределения соли, в процессе которого отложения, развитые в мульдах, опускаются на глубину, а сами мульды заполняются более молодыми осадками. Наиболее известные мульды располагаются на куполах Ин-дер, Эльтон, Баскунчак, Челкар, Новобогатинск-Сугур и многих других.
Мульды оседания вызваны подземным выщелачиванием соли при подъеме соляных массивов до уровня активных водоносных горизонтов, в результате которого подземные воды начинают выщелачивать их вершины. Образующиеся в мульдах слои увеличивают нагрузку на кровлю куполов и усиливают процесс перемещения соли и формирования мульд оседания. Структуры этого типа известны в ПКВ на куполах Аралсор, Бетпаксор, Сан-кебай и многих других.
Образование грабенов на вершинах куполов связано с растяжением надсолевых слоев в процессе подъема соли, образованием систем сбросов и опусканием. Эти структуры распространены достаточно широко. В качестве примера можно назвать обширный грабен Светлоярско-Приозерной антиклинали в ПКВ.
Соляная тектоника не только является ярчайшей структурной особенностью солянокупольных бассейнов, но и оказывает существенное влияние на формирование всех компонентов их ИГУ. Не рассматривая их подробно, остановимся лишь на особенностях, связанных с соляной тектоникой.
Геологическое строение солянокупольных бассейнов однотипно и обусловлено их преобладающим прогибанием, в том числе и в новейший этап, что вызывало неоднократные трансгрессии моря и накопление плиоцен-четвертичных отложений большой мощности. Поверхностные морские отложения имеют почти горизонтальное залегание на обширных территориях, как, например, породы хвалынского горизонта, ареал распространения которых в ПКВ исчисляется сотнями тысяч квадратных километров. Эта монотонная на первый взгляд картина нарушается на соляных структурах, и выражается в появлении на участках открытых куполов скальных пород палеозоя - кайнозоя, а также галоидов соляного комплекса. Напротив, в пределах межкупольных депрессий соль полностью отсутствует.
На куполах наблюдается дислоцированность надсолевого комплекса, включая плиоценовые и плейстоценовые породы, а также резкое сокращение их мощности вплоть до полного выпадения из разреза отдельных горизонтов. Примерами подобных куполов являются Красноармейский, Черноярский и др. в долине Волги, где мощность четвертичных отложений уменьшается на 30 - 40 м по сравнению с соседними участками. Напротив, в мульдах мощность плиоцен-четвертичных отложений резко возрастает. Например, в Жал-тырской мульде глубина залегания подошвы бакинских глин составляет 500 м, апшеронских отложений - 1800 м, а акчагыльских отложений - 3500 м.
По амплитуде прогибания эта мульда является уникальной, но и в других мульдах условия однотипны: в мульде купола Азгир мощность четвертичных отложений превышает 140 м; в мульде купола Индер бакинские отложения опущены не менее чем на 350 м. В Баскунчакской мульде мощность озерных отложений превышает 600 м. Из них 111м принадлежит бакинским глинам, крутопадающим к центру мульды.
Существенное значение для ПКВ имеют обусловленные соляной тектоникой ИГ особенности хвалынских глин, являющихся основанием многих сооружений. По условиям залегания, состояния и физико-механическим свойствам глины разделяются на две разновидности, для которых предлагались такие названия, как глины нетрещиноватые и трещиноватые, большой и малой мощности, глубокого и мелкого залегания, монолитные и выветрелые и т. д. [56, 7, 85,157].
Глины первой разновидности накапливались в глубоких депрессиях дохвалынского рельефа; они имеют максимальную мощность и глубину подошвы. В рельефе эти депрессии выражены в виде пониженных участков с наиболее близким к поверхности залеганием УПВ," в связи с чем глины обводнены, невыветрелы и нетрещиноваты. Они имеют высокую влажность,. пористость, консистенцию, низкую прочность и высокую сжимаемость.
Глины второй разновидности сохранились на участках вне депрессий либо в виде маломощного (до 5—7 м) слоя, либо переслаивания глин и алевритов. Они располагаются выше УГВ, сильно выветрелы, имеют низкую влажность и пористость, высокую прочность и слабую деформируемость. На рис. 8 показано соотношение условий залегания обеих разновидностей хвалынских глин с соляными структурами разных знаков на примере двух разрезов, один из которых ориентирован вдоль правого берега Волги, второй расположен в Вол го-Уральском междуречье. Профили в нижней части рисунка, отражающие тектонику надсолевого комплекса, построены на основе карты солянокупольных структур (Бражников, 1965).
При сопоставлении разрезов обращает на себя внимание отчетливое сходство профилей подошвы отложений верхнего мела и хвалынских глин. Депрессии, в которых располагаются глины первой разновидности, соответствуют межкупольным депрессиям, а глины второй разновидности залегают над соляными куполами.
Современные геологические и инженерно-геологические процессы
Верхнехвалынский горизонт представлен морскими отложениями, развитыми в южной части Прикаспийской низменности ниже нулевой горизонтали: желтовато-серыми песками, реже супесями и суглинками мощностью до 10 м. Одновозрастные аллювиальные отложения слагают первую надпойменную террасу; мощность аллювия 5-8 м.
Верхнеплейстоценовые эоловые отложения участвуют в строении бугров Бэра, представляющих вытянутые в широтном направлении гряды шириной 200-400 м, высотой 20 м и длиной до 2-3 км, разделенные понижениями и распространённые в широкой зоне вдоль Каспийского побережья, а также отдельными участками вдоль Волги и Урала. Ядра бугров сложены хвалынскими шоколадными глинами мощностью 2-2,5 м, иногда перекрытыми одновозрастными песками мощностью до 1-2 м. Эти ядра облекает так называемая "бугровая толща" эолового происхождения - переслаивание мелких и пылеватых песков, окатышей и пластинок хвалынских глин диаметром от 0,5 мм. Бугровая толща мощностью до 13 м обычно перекрыта лёссовидными суглинками и супесями желтовато-коричневого и светло-коричневого цвета, имеющими верхнехвалынский-современный возраст и элювиальное, эоловое и отчасти делювиальное происхождение. Мощность пород колеблется от 0,3 до 10 м. Формирование бугровой толщи относится к периоду ено-таевской регрессии, разделявшей нижне-и верхнехвалынские трансгрессии Каспия [36]. Исходя из этого, возраст лёссовых пород, перекрывающих буг-ровую толщу, верхнехвалынский.
Одновозрастные хемогенные отложения распространены в озёрах Эльтон, Баскунчак, где они представлены переслаиванием галита и супеси. Верхнехвалынские-современные озёрно-аллювиальные отложения развиты на нижнехвалынских равнинах, в озёрных впадинах и лиманах. Иногда они слагают так называемые разливы бессточных рек — обширные аллювиальные равнины с многочисленными неглубокими и плоскими дельтовыми рукавами. Они представлены темноцветными иловатыми глинами, суглинками, супесями и песками мощностью до 10 м.
Современные отложения представлены морскими новокаспийскими слоями, эоловыми отложениями, аллювиальными отложениями рек, образованиями дельт Волги и Урала, хемогенными и озёрными отложениями.
Новокаспийские морские отложения распространены вдоль побережья Каспия в пределах неширокой (до 40-50 м) полосы голоценового дна между горизонталью минус 22 и береговой линией, и представлены глинистыми песками и глинами мощностью 3-5 м. В качестве верхнего подгоризонта выделяются отложения, обнажившиеся в результате последней регрессии в 1939 году [63]. Они развиты в пределах полосы шириной 15-20 км.
Эоловые отложения широко развиты в южной части низменности в зоне распространения верхнехвальшскои трансгрессии и слагают Урдинскии массив в Волго-Уральском междуречье и Приволжскую песчаную гряду. Они представлены мелкими и пылеватыми песками мощностью до 10 м.
Аллювиальные отложения развиты в поймах Волги, Урала и их притоков. Наиболее мощная толща аллювия накоплена в Волго-Ахтубинской пойме, где на ряде участков она превышает 40 м. Аллювий представлен тремя фациями: русловой, преимущественно песчаной, мощностью 15-20 м; пойменной, мощностью в среднем до 5 м, где в разнозернистой песчаной толще появляются прослои супесей, суглинков и глин; и старинной, представленной илами, залегающими в виде узких длинных полос шириной 120-150 м, погребённых в толще песков. Мощность старинных отложений, как правило, 2-7 м [16]. Мощность аллювиальных отложений р. Урала превышает 20 м, а в притоках составляет преимущественно 3-5 м.
Аллювиально-морские отложения дельт Волги и Урала представлены сочетанием песчаных, супесчаных, суглинистых и глинистых отложений. В целом по направлению от авандельты к её вершине происходит закономерное замещение рыхлых песков и супесей суглинисто-глинистой толщей с прослоями и линзами песков. Мощность отложений достигает 20 м.
Озёрно-аллювиальные отложения, представленные голубовато- и коричневато-серыми слоистыми глинами и суглинками, участками супесей и песков, с органическими остатками, обломками раковин, конкрециями карбонатов и гнёздами гипса, развиты в придельтовых областях, в ильменях-озерах в межбугровых понижениях, периодически затапливающихся паводковыми морскими водами, а также в пределах верхнехвалынскои равнины в ложбинах, образовавшихся вслед за отступающим морем.
Соровые отложения, являющиеся продуктами заключительной фазы отмирания озёр, распространены в сорах в Вол го-Уральском междуречье и восточнее р. Урал и представлены засоленными песками и иловатыми глинами мощностью до 5 м, с поверхности перекрытыми коркой соли.
Прикаспийская впадина в целом в орографическом плане разделяется на Прикаспийскую низменность и обрамляющие ее с запада, севера и востока возвышенности: Сыртовую равнину, Общий сырт, Подуральское плато (Ура-ло-Эмбенское), часть Ергенинской и Приволжской возвышенностей. Прикаспийской аккумулятивной низменности соответствует в неотектоническом плане новейшая синеклиза, а возвышенности являются участками поднятий и представлены денудационными равнинами от олигоценового до раннеплей-стоценового возраста.
Прикаспийская низменность представляет плоскую равнину, чрезвычайно полого наклоненную к морю; абсолютная высота низменности составляет на окраинах 48-50 м, у моря - 28 м.
Сравнительный анализ условий эманирования изотопов Радона в Волгоградском мегаполисе и прилегающих территориях
Подобно хвалынским и хазарским глинам, бакинские глины являются набухающими; в результате набухания их прочность снижается [60, 105]. Апшеронские глины по гранулометрическому составу не имеют заметных отличий от морских глин плейстоценового возраста (табл. 2), минералогический состав также является типичным для всего плиоцен-четвертичного разреза Прикаспия, с преобладанием в глинистой фракции гидрослюды и подчиненным содержанием монтмориллонита, каолинита, галлуазита и других минералов [153].
По физическим свойствам глины близки морским нижнечетвертичным глинам, отличаясь от них в сторону уменьшения влажности и пористости вследствие несколько большей литификации.
Физические свойства глин в низовьях Волги и на самом севере Прикаспийской низменности, у подножья Сыртового уступа, несколько отличаются, при сравнении данных по участку проектировавшейся Нижневолжской ГЭС (24 монолита) и вдоль трассы Волго-Уральского канала (61 монолит). Глины первого участка имеют более высокую пластичность, пористость и влажность: так, влажность на пределе текучести составляет на первом у частке 0,58, на втором - 0,52, число пластичности соответственно 0,30 и 0,26 при одинаковой влажности на границе раскатывания, естественная влажность -0,33 и 0,29,объемная масса скелета - 1,41 и 1,49. Аналогичная тенденция наблюдается и с запада на восток от Волги к Уралу, на что указывают также Ю.И. Панов и др. [125]. Вместе с тем изменчивость физических свойств не так значительна и укладывается в пределы обычного размаха колебаний показателей. По плотности глины повсеместно относятся к среднеуплотненным (по И.М. Горьковой, 1975), по степени литификации - к среднелитифициро-ванным породам.
Показатели механических свойств несколько выше, хотя и не намного, чем у бакинских глин; модуль деформации также выше.
Хвалынские суглинки имеют желтую и коричневую окраску. Их характерной особенностью является засоленность, связанная с аридным климатом Прикаспия. Содержание легкорастворимых солей в северной части региона, где суглинки выходят на поверхность земли, колеблется в пределах 0,1-3,0 %, лишь изредка достигая 4-5 %. Наиболее распространенной из легкорастворимых солей является хлористый натрий. Среднерастворимые соли представлены гипсом, содержание которого колеблется от 0,1 до 10 %, редко увеличиваясь до 11-14,8 %. К труднорастворимым солям относится бикарбонат кальция (6-10 %, реже до 20 %). Наибольшая засоленность грунтов характерна для возвышенных участков, наименьшая - для понижений рельефа, что косвенно отражает влияние соляной тектоники.
Свойства суглинков, как и всех глинистых пород Прикаспия, зависят от влажности. Зависимость сопротивления сдвигу от влажности и пластичности суглинков, установленная по выборке из 78 членов [97] на ЭВМ по программе многофакторного корреляционно-регрессионного анализа [92], приведена в таблице 11. Модуль деформации суглинков также существенно зависит от влажности, что хорошо иллюстрируется данными таблицы 12, составленной по результатам обработки данных 20 штамповых испытаний (табл. 12).
В северной части Прикаспийской низменности на отдельных участках с глубоким залеганием грунтовых вод суглинки облёссованы и проявляют слабые просадочные свойства, характеризующиеся величинами относительной просадочности при нагрузках 1,2 и 3-Ю5 Па соответственно 0,7 %, 1,8 % и 2,8 %.
Хазарские суглинки довольно однородны, что выражается в небольших значениях среднеквадратических отклонений всех показателей физических свойств (табл. 2) по сравнению с хвалынскими. Хотя содержание глинистых частиц в них несколько меньше, в них также меньше и песчаных частиц и больше пылеватых. Показатели пластичности хазарских суглинков также несколько выше, как и плотность сложения. Находясь ниже уровня грунтовых вод, суглинки имеют более высокую влажность, степень влажности и показатель консистенции. В соответствии с более низкой пористостью хазарских суглинков они имеют более высокий модуль деформации и величины удельного сцепления при консолидированном и неконсолидированном сдвиге. Аллювиальные глины принимают участие в строении пойменной и старичной свит долины Волги. Они не принадлежат к высокодисперсным грунтам, а по содержанию глинистой фракции, составляющему в среднем 20,6-24,6 %, скорее ближе к тяжёлым суглинкам (табл. 13). Характерной чертой глинистых разностей аллювия является высокое содержание песчаных частиц - в среднем 25-26 %; в основном они представлены пылеватой фракцией - 50-53 %. Преобладающим глинистым минералом является монтмориллонит, а также гидрослюда при незначительном содержании каолинита; в песчаной и пылеватой фракции доминируют кварц и полевые шпаты.
Пойменные глины содержат в среднем 3,4 % карбонатов, до 0,78 % гипса и 0,21 % галита, что отражает их периодическое промывание паводковыми водами.
В связи с чередованием прослоев различной дисперсности глины характеризуются значительным размахом показателей пластичности. Влажность на границе текучести колеблется на различных участках от 0,34 до 0,63, составляя в среднем 0,46 [131]. Естественная влажность, подверженная сезонным изменениям, колеблется от 0,20 до 0,48 (в среднем 0,29), что соответствует размаху степени влажности от 0,41 до 1. Коэффициент пористости изменяется от 0,63 до 1,40, составляя в среднем 0,91. Показатель консистенции глин колеблется от твёрдой до текучей и в среднем равен 0,26. Высокая пористость и влажность глин обусловливает их высокую сжимаемость и низкое сопротивление сдвигу.
Сравнительная характеристика инженерно-геологических условий Прикаспийской синеклизы и Приволжской моноклинали в границах Волгоградского мегаполиса
Озёрно-аллювиальные глины верхнечетвертичного-современного возраста в районе Волгограда характеризуются средним сопротивлением конусу 0,6 МПа при колебании от 0,4 до 1,6 МПа; голоценовые аллювиально-морские глины дельты Волги оказывают сопротивление внедрению конуса от 0,3 до 1,2 МПа, в среднем 0,7 МПа, что соответствует прочности на одноосное сжатие 0,04 МПа. Прочность пород и модуль деформации возрастают по мере увеличения их возраста, при этом из показателей сопротивления сдвигу растёт преимущественно удельное сцепление. Угол внутреннего трения практически постоянен или, возрастая в диапазоне от голоцена до среднего плейстоцена, затем чуть снижается.
Показатели механических свойств одновозрастных пород различных генетических типов весьма близки, особенно сжимаемость и сопротивление консолидированному сдвигу. При неконсолидированном сдвиге это сходство не так очевидно, но тем не менее существует: обусловленное различиями в дисперсности и плотности пород различного генезиса изменение одного из показателей сдвига в ту или иную сторону компенсируется изменением в противоположную сторону другого показателя. Например, угол внутреннего трения четвертичных озёрно-аллювиальных глин выше, чем у одновозраст ных морских глин, а сцепление ниже; у аллювиально-морских глин по отно шению к морским наблюдается обратная картина: угол внутреннего трения выше, а сцепление ниже. Те же отложения нижнечетвертичного и апшерон ского возраста характеризуются почти одинаковыми показателями сопротив ления сдвигу. Обращают на себя внимание особенности физико-механических свойств хвалынских глин. Отмеченные выше (п. 1-3) закономерности спра ведливы для отложений, находящихся в сходных условиях, наиболее важным из которых в рассматриваемой аридной зоне является положение относи тельно уровня грунтовых вод. Одна из разновидностей глин, соответствую щая участкам положительных структур, располагается выше уровня грунто вых вод, что резко отличает её от условий других глинистых пород, рассмотренных при составлении графика. Соответственно этому и физико-механические свойства глин резко отличаются, в частности их прочностные характеристики выше, чем у более древних отложений, вплоть до апшеронских. Аналогичная разница в свойствах отмечалась выше у озерно-аллювиальных сыртовых глин, расположенных в Прикаспийской низменности ниже уровня фунтовых вод, а на возвышенностях - выше. прочностных и деформационных характеристик плейстоценовых глин различного возраста и генезиса от влажности носят однотипный характер и отражают их резкое снижение при увеличении влажности. Наибольшим сходством и близостью обладают графики, относящиеся к дохвалынским отложениям. Подобное сходство, как и близость механических свойств плиоцен-четвертичных глинистых отложений Прикаспия в целом, показывает, что важнейшие из свойств пород - их прочность и сжимаемость, несмотря на имеющиеся некоторые различия в физических характеристиках, у глинистых пород различных генетических типов Прикаспия весьма близки, что отражает их более глубокое родство, обусловленное минералогическим составом.
Лессовые породы в Прикаспийской низменности представлены атель-ским и верхнехвалынским-современным горизонтом, в пределах Приволжской возвышенности и Ергеней верхнечетвертичным горизонтом, который соответствует на Сыртовой равнине и Подуральском плато желто-бурому горизонту сыртовых глин.
Ателъский горизонт представлен лессовидными суглинками и супесями, глинистая фракция которых сложена гидрослюдисто-монтмориллонитово-каолинитовой ассоциацией минералов. В неглинистых фракциях преобладают кварц и полевые шпаты (табл. 3), что типично как для лессовых пород юга Русской платформы [133],так и в целом для комплекса четвертичных отложений Прикаспия. В породах содержится значительное количество карбонатов (до 14 %, в среднем 5,9 %), присутствуют гипс (до 0,2 %) и галит (до 0,2 %). Сходный состав характерен для одновозрастных лёссовых пород верхнечетвертичного горизонта Приволжской возвышенности и Ергеней. Глинистость пород в разрезе изменяется без видимой закономерности, с переходом лессовидных суглинков в супеси, в связи с чем ательские отложения обычно рассматриваются как единая толща лёссовых пород, как и горизонт лёссовых пород на возвышенностях, связанный с ательским горизонтом постепенным переходом (рис. 17).
Гранулометрический состав лёссовых пород ательского горизонта Прикаспийской низменности и верхнечетвертичного горизонта Приволжской возвышенности, отличающийся от типичных лёссов других регионов относительно невысоким содержанием пылеватых частиц (табл. 23), довольно близок. Показатели физических свойств обоих типов лёссовых пород также обладают заметным сходством (табл. 24), причём рассматриваемые породы характерны довольно низкой пористостью, не вполне типичной для лёссовых пород [149, 159].
