Введение к работе
Объектом наших исследоваїгий являются лёссовые отложения территории г Иркутска, представленные различными геолого-генетическими комплексами, мощностью от 1-3 до 20 м Поздневерхнечетвертичный комплекс (1(3) в виде сплошного субаэрального покрова залегает в пределах второй - четвёртой надпойменных террас Ангары и ее придолинных склонов, а также второй террасы Иркута Верхнечетвертичный аллювиальный комплекс (aQ3) - это пойменные фации третьей и четвёртой террас, перекрытые субаэральным чехлом, современный аллювий (aCW в виде маломощных прослоев залегает в составе пойменной фации первой террасы Ангары Элювиально-делювиальные лессовые отложения (edQ), мощностью менее 3 м связаны с участками распространения пород юрской угленосной формации
Лессовые грунты занимают около 20 % территории города и являются фактором геоэкологического риска, тем более что они распространены в районах, где застройка проводилась относительно недавно - в 60-80-е годы ХХ-го века
Актуальность работы. Просадочный процесс в лессовых грунтах имеет природно-техногенный характер и относится к группе неблагоприятных, а в некоторых случаях и катастрофических явлений Распространение лёссовых толщ на территории города определяет обязательное изучение их просадочности по вертикальному разрезу в условиях природного и дополнительного давлений
Стандартные лабораторные исследования дисперсных грунтов, которые выполняются всеми без исключения изыскательскими организациями Иркутска, не позволяют установить факторы, определяющие проявление просадочных деформаций, поэтому давно назрела необходимость расширить рамки этих исследований, дополнив стандартный набор показателями микроструктуры и данными по составу и содержанию компонентов, определяющих структурные связи в грунтах Современный этап оценки просадочности характеризуется переходом от единичных опорных разрезов к изучению оснований будущих инженерных сооружений, а также к исследованию состояния грунтовой толщи под существующими зданиями и сооружениями
Целью диссертациошюй работы является разработка вопроса оценки просадочности лессовых грунтов на базе комплексных исследований их микроструктуры, химико-минералогического состава, физических и физико-химических свойств (на примере территории г Иркутска)
Основные задачи исследований. 1) рассмотрение лессовой проблемы урбанизированных территорий в свете эволюции взглядов и методических подходов при исследовании различных ее аспектов во времени, 2) реализация современных методических разработок при оценке просадочности лессовых грунтов городских территорий, 3) изучение распространения лёссовых грунтов на территории города Иркутска, 4) комплексная харакгеристика состава, микроструктуры, физических и физико-химических свойств лессовых грунтов при оценке их просадочности (на примере площадок инженерно-геологических изысканий в районе г Иркутска и его окрестностей), 5) определение коэффициента относительной просадочности лёссовых грунтов различными методами и сопоставление результатов, 6) разработка рекомендаций по оптимизации инженерно-геологических исследований лёссовых грунтов города с целью снижения геоэкологического риска в условиях сейсмической активности территории
Исходные материалы. Фактической базой диссертационной работы являются материалы, полученные автором в процессе специальных и комплексных исследований лёссовых грунтов на территории города с 1999 года до настоящего времени Результаты специальных исследований, выполненных в рамках нормативных документов, изложены в технических отчетах Центра геолого-экологических исследований (ЦГЭИ), в которых диссертант принимал непосредственное участие при определении показателей физико-механических свойсгв и гранулометрического состава грунтовых толщ Кроме того, диссертантом проведено изучение микроструктуры, минерального состава тонкоглинистой (<0,001 мм) фракции и физико-химических свойств лессовых грунтов, просадочпость определялась различными лабораторными методами Химический анализ водных, солянокислых и щелочных вытяжек, определение содержания гумуса и фазовый рентгеноструктурный анализ тонкоглинистой фракции выполнены в Аналитическом центре Института земной коры СО РАН (АЦ ИЗК СО РАН) Использованы многочисленные публикации, связанные с темой диссертационной работы Высокая степень достоверности и обоснованности полученных научных результагов гарантируется значительным объемом и надежным качеством использованного фактического материала
Методы исследований. В качестве мегодологической базы были использованы стандартизированные методики (ГОСТы) определения показателей физико-механических свойств глинистых (лёссовых) грунтов Дополнительно реализованы современные методические разработки грунтоведческой группы АЦ ИЗК СО РАН, связанные с количественным определением содержания глинисгых минералов -программа «Decompose» (Рященко, Акулова, 1998) и параметров микроструктуры -метод «структурных диаграмм» (Рященко и др , 2000) При изучении просадочности лёссовых грунтов был предложен «комбинированный» (лабораторный) метод и реализован метод расчета коэффициента относительной просадочности при давлении 0,3 МПа по прогнозному уравнению (Рященко, 1984) При обработке данных аналитических исследований использовалась программа «Кластер-анализ», позволяющая установить взаимосвязи между признаками изучаемого объекта
Научная новизна- 1) на основе обобщения полеченных материалов выделены основные этапы изучения лёссовых отложений в Приангарье, в том числе в пределах города Иркутска, 2) впервые составлена схематическая карта распространения лёссовых грунтов на территории города Иркутска с учетом их генезиса, мощности и характера залегания, а также величины вертикальной техногенной нагрузки (тип застройки), 3) дополнительно к стандартным показателям свойств грунтов, полученным в рамках инженерно-геологических изысканий, выполнены исследования параметров микроструктуры, химико-минералогического состава и физико-химических свойств, что позволило выявить степень их влияния на характер просадочности лессовой толщи, 4) на базе метода «структурных диаграмм» автором разработан алгоритм расчёта - «Микроструктура», с помощью которого автоматически определяются параметры микроструктуры лессовых и глинистых грунтов, 5) предложен «комбинированный» метод определения коэффициента относительной просадочности лессовых грунтов в лабораторных условиях
Основные защищаемые положения.
1 Условия распространения лёссовых грунтов, которые являются фактором геоэкологического риска при оценке устойчивости геологической среды,
представлены на схематической карте В пределах города Иркутска лессовые грунты занимают 19,1 % территории, характеризуются сплошным и островным типом залегания при мощности до 20 м и относятся к определенным геолого-генетическим комплексам, которые показаны на типовых разрезах грунтовых толщ
2 Комплексное изучение просадочности лессовых грунтов, выполненное в
процессе инженерно-геологических изысканий на шести площадках г Иркутска с
применением новых методов определения параметров микроструктуры и состава
глинистых минералов, а также различных лабораторных методов при расчетах
коэффициента относительной просадочности, показывает, что оценить степень
проявления этого опасного свойства возможно при условии получения информации о
типах микроструктуры и структурной модели грунта, минеральной ассоциации
глинистой фракции, величине относительного набухания, плотности скелета и
природной влажности грунта
3 Лессовые грунты на территории города Иркутска характеризуются
постоянным присутствием смектита (до 70 %) в глинистой фракции, что определяет
их предрасположенность к набуханию По этой причине при определении
коэффициента относительной просадочности необходимо установить величину
относительного набухания грунта, для набухающих разновидностей метод «двух
кривых» может привести к ошибочным результатам, поэтому при оценке
просадочности лессовой толщи следует использовать метод «одной кривой» в
диапазоне давлений от природного до 0,3 МПа
Личный вклад автора. В процессе научной работы автором был выполнен комплекс исследований, направленный на решение поставленных задач
1) составлена блок-схема основных этапов изучения лессовых грунтов Приангарья,
2) с применением компьютерных технологий составлена схематическая карта
распространения лёссовых грунтов на территории города Иркутска, 3) проведен
комплекс лабораторных работ, направленный на изучение физических (330 проб) и
деформационных (метод «одной кривой» - 65 проб, метод «двух кривых» - 134
пробы, «комбинированный» метод - 8 проб) свойств лессовых грунтов, параметров
их микроструктуры (73 пробы) и величины относительного набухания (70 проб),
4) выполнены расчёты с использованием программ «Кластер-анализ» и «Decompose»,
5) с целью автоматизации расчетов при изучении микроструктуры лессовых и
глинистых грунтов по методу «структурных диаграмм» был разработан алгоритм
расчёта - «Микроструктура», 6) на базе методов «одной» и «двух кривых» предложен
«комбинированный» метод лабораторного определения коэффициента относительной
просадочности лессовых грунтов
Практическая значимость работы. На основании проведённых комплексных исследований условии распространения, состава, микроструктуры и свойств лёссовых грунтов автором разработаны методические рекомендации по изучению их просадочности, которые позволят оптимизировать инженерно-геологические изыскания на территории города Иркутска
Апробация работы Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на многочисленных научных и научно-практических совещаниях годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии "Сергеевские чтения" (Москва, Президиум РАН, 2003), научно-технической конференции факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии "Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы
геологических исследований" (Иркутск, ИрГТУ, 2003), XX Всероссийской молодёжной конференции "Строение литосферы и геодинамика" (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2003), международной научно-практической конференции "Город прошлое, настоящее, будущее" (Иркутск, ИрГТУ, 2004), научно-технической конференции факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии "Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований" (Иркутск, ИрГТУ, 2004), Второй Сибирской международной конференции молодых учёных по наукам о Земле (Новосибирск, ОИГГиМ, 2004), научно-технической конференции, посвященной 75-летию факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии "Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований" (Иркутск, ИрГТУ, 2005), XXI Всероссийской молодёжной конференции "Строение литосферы и геодинамика" (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2005), международном симпозиуме "Стихийные бедствия последнего времени - задачи, стоящие перед инженерной геологией, геотехникой и гражданской защитой" (Болгария, София, 2005), международной конференции "Город и геологические опасности" (Санкт-Петербург, ВНИИГ им Веденеева, 2006), научно-технической конференции факультета геологии, геоинформатики и геоэкологии "Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований" (Иркутск, ИрГТУ, 2006)
Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 12 работ (8 статей и тезисы 4-х докладов), из них одна за рубежом Кроме того, одна статья опубликована в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 5 приложений Объём работы 131 страница, в тч 41 рисунок, 13 таблиц, список литературных источников составляет 107 наименований
Благодарности Автор искренне благодарен и глубоко признателен научному руководителю дг-мн, профессору Т Г Рященко, а также всем сотрудникам кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ИрГТУ и Центра геолого-экологических исследований, особенно к г -м н , профессору И И Верхозину, Т И Терпуговой, НИ Осуховскому, АЮ Чернову, ЕА Гребневу за внимательное отношение, поддержку и советы при выполнении и обсуждении работы Кроме того, автор выражает особую благодарность дг-мн, профессору Ю Б Тржцинскому, д г -м н. В К Лапердину и к г -м н В В Акуловой за деловые советы, замечания и консультации, а также сотрудникам Аналитического центра ИЗК СО РАН НН Уховой, Т Ф Даниловой, М В Даниловой и Т С Филевой за предоставленные данные по химико-минералогическому составу и микроструктурам лессовых грунтов
