Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование инженерно-геологических особенностей нижнемеловых пород территории г. Москвы 9
1.1. История геологического развития территории в раннемеловое время, условия накопления и постгенетические изменения толщ нижнемеловых пород 9
1.2. Современные условия залегания и распространение нижнемеловых пород территории г. Москвы 22
1.3. Современные представления об инженерно-геологических особенностях нижнемеловых грунтов исследуемой территории 39
Глава 2. Объекты и методика исследования 53
2.1. Объекты исследования 53
2.2. Полевые исследования 54
2.3. Лабораторные исследования и обработка экспериментальных данных 54
Глава 3. Типизация толщ нижнемеловых пород территории г. Москвы 59
Глава 4. Химико-минеральный состав нижнемеловых грунтов как отражение условий их формирования и постгенетических изменений 79
4.1 .Химико-минеральный состав грунтов 79
4.2. Глауконит как специфический компонент в составе нижнемеловых грунтов 102
Глава 5. Особенности строения нижнемеловых грунтов 113
5.1. Гранулометрический и микроагрегатный составы исследуемых грунтов... 113
5.2. Взаимосвязь минерального состава, размеров и морфологии частиц 132
5.3. Макро-, мезо- и микростроение нижнемеловых грунтов 146
Глава 6. Свойства нижнемеловых грунтов 169
6.1. Физические свойства исследуемых грунтов 169
6.2. Физико-химические свойства исследуемых грунтов 187
6.3.Физико-механические свойства исследуемых грунтов 197
6.4. Рекомендуемые значения показателей физических и физико-механических свойств нижнемеловых грунтов 208
Выводы 215
Список литературы 218
Приложения 231
- Современные условия залегания и распространение нижнемеловых пород территории г. Москвы
- Современные представления об инженерно-геологических особенностях нижнемеловых грунтов исследуемой территории
- Лабораторные исследования и обработка экспериментальных данных
- Типизация толщ нижнемеловых пород территории г. Москвы
Введение к работе
Актуальность работы. Градостроительная политика г. Москвы в последние годы направлена на поиск архитектурных и инженерных решений, позволяющих оптимизировать использование свободного пространства. В связи с острой нехваткой не занятых застройкой территорий в практике проектирования и строительства четко определились две тенденции: 1) возведение зданий большой высотности, предполагающее глубинное заложение фундаментов, часто с организацией подземной части; 2) максимально возможное использование подземного пространства. В связи с этим в сферу воздействия инженерных сооружений все больше и больше вовлекаются дочетвертичные породы, залегающие на значительных глубинах.
На территории г. Москвы под толщей четвертичных образований на глубинах 1-40 м залегают нижнемеловые породы, максимальная мощность которых достигает в районе Теплостанской возвышенности 92 м. Сложное строение нижнемеловой толщи, выражающееся, прежде всего, в высокой фациальной изменчивости слагающих ее отложений, преимущественно водонасыщенное состояние грунтов, создающее сложности при опробовании in situ, присутствие отдельных разностей, склонных к разжижению и проявляющих плывунные свойства, а также относительно глубокое залегание нижнемеловых грунтов обусловили их очень слабую изученность в инженерно-геологическом отношении. Таким образом, вопрос о комплексном инженерно-геологическом исследовании нижнемеловых грунтов актуален и остается открытым.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка типизации толщ нижнемеловых отложений территории г. Москвы и изучение особенностей состава, строения и свойств нижнемеловых грунтов с учетом их современного положения в геологическом разрезе и состояния.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
разработать методику типизации толщ нижнемеловых пород, выделить и охарактеризовать типы разрезов, установить их приуроченность к определенным элементам рельефа; выявить литологические виды грунтов, участвующих в строении нижнемеловых толщ;
-
изучить химико-минеральный состав нижнемеловых грунтов как отражение условий их формирования и постгенетических изменений;
-
изучить особенности строения нижнемеловых грунтов, выявить взаимосвязь минерального состава, дисперсности и морфологии частиц в составе грунтов выделенных стратиграфических подразделений;
-
исследовать свойства нижнемеловых грунтов, проанализировать сходство и различия в свойствах грунтов различных стратиграфических подразделений; установить взаимосвязи между составом, строением, физическими и физико-механическими свойствами нижнемеловых грунтов.
Объекты исследования и вклад автора. Объектами исследования были выбраны малоизученные в инженерно-геологическом отношении нижнемеловые грунты территории г. Москвы.
Работа является результатом исследований, проведенных автором в период обучения в очной аспирантуре на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с 2005 по 2008 гг. Для работы по теме диссертации был использован фактический материал, полученный за период обучения в магистратуре и аспирантуре, а также фондовые материалы различных организаций. Типизация толщ нижнемеловых грунтов проведена на основе фондовых данных по 156 участкам на территории г. Москвы. Автором отобраны и исследованы более 80 образцов нижнемеловых фунтов различных стратиграфических подразделений с 14 участков, расположенных в пределах г. Москвы; проанализированы также данные изыскательских организаций по составу, строению, состоянию и свойствам грунтов на 51 участке на территории мегаполиса.
Методика исследований и достоверность результатов. Исследования проводились с помощью методов, широко используемых в грунтоведении, а также рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии (РЭМ), микрозондового анализа. Для обработки результатов использовались методы статистического анализа. Комплексное сочетание методов позволило получить надежные и достоверные научные результаты.
Научная новизна
-
Установлены основные критерии подразделения толщ нижнемеловьгх пород и впервые проведена их типизация для инженерно-геологических целей. Выявлена изменчивость выделенных типов разрезов (толщ) по простиранию и приуроченность их к определенным элементам рельефа. Определена частота встречаемости выделенных типов разрезов и литологических видов грунтов, участвующих в их строении.
-
Получены новые данные о химико-минеральном составе песчаных и глинистых нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений.
-
Выявлены группы нижнемеловых дисперсных грунтов по макростроению. Получены новые данные об особенностях мезо- и микростроения нижнемеловых грунтов.
-
Впервые выявлены инженерно-геологические особенности нижнемеловых грунтов территории г. Москвы различного макростроения, дисперсности, различных стратиграфических подразделений на основе систематизации и анализа большого массива данных.
Защищаемые положения
1. Предложена типизация толщ нижнемеловых пород территории г. Москвы, основанная на делении по трем категориям признаков: глубине залегания кровли (группы); мощности нижнемеловых пород (подгруппы); составу и строению
толщи (типы). Для областей сплошного, местами прерывистого и редкоостровного распространения нижнемеловых пород выявлены преобладающие (наиболее характерные) глубины залегания, мощности и типы разрезов, а также наиболее распространенные литологические виды грунтов. Охарактеризована пространственная изменчивость типов толщ; установлена приуроченность выделенных типов разрезов к определенным элементам рельефа.
-
Установлено, что химико-минеральный состав нижнемеловых грунтов является чувствительным индикатором условий их формирования и постгенетических изменений. Песчаные грунты кварцевые, с примесью полевых шпатов, реже глауконита, слюды; часто содержат аморфные полуторные оксиды и кремнезем. Среди глинистых фунтов преобладают разности с доминирующей ролью кварца в составе (от 35% в суглинках тяжелых до 94% в супесях); встречаются специфические глауконитовые разности с минимальным (23%) содержанием кварца, присутствием смешанослойных минералов и рентгеноаморфного вещества в значимых количествах. Выявлена изменчивость ассоциаций глинистых минералов, связанная с фациальной и литологической неоднородностью, областями сноса материала, с характером и интенсивностью постгенетических преобразований. Нижнемеловые грунты преимущественно незаселенные, в целом бескарбонатны, не проявляют агрессивности либо слабоагрессивны к строительным материалам. Воды в нижнемеловых отложениях имеют низкую минерализацию и отличаются, при преобладании гидрокарбонатного кальциевого типа, высокой изменчивостью химического состава, обусловленной положением толщи в геологическом разрезе, особенностями строения перекрывающих отложений, техногенной нагрузкой.
-
Выявлены специфические особенности строения нижнемеловых дисперсных грунтов на разных масштабных уровнях. Макростроение характеризуется четырьмя группами: песчаные однородные, глинистые относительно однородные, переслаивающиеся песчаные и глинистые грунты, грунты со сложными текстурами. Песчаные грунты хорошо сортированы, однородны по дисперсности, характеризуются псаммитовыми равномерно-, мелко- и тонкозернистыми мезоструктурами, беспорядочными мезотекстурами, присутствием в некоторых разностях частиц <0,2мкм, обуславливающих их способность к разжижению. В глинистых грунтах преобладают алевро-пелито-псаммитовые и пелито-псаммитовые мезоструктуры, отмечаются мезотекстуры сложного типа (биотурбированнная и пр.); микроструктуры от тонко- до крупнодисперсных, средне- и высокоориентированные, со смешанным типом связей между частицами (агрегация преимущественно в мелкопесчаной и крупнопылеватой фракциях); в поровом пространстве превалируют крупные анизометричные межмикроагрегатные и межмикроагрегатно-зернистые микропоры.
4. Для нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений впервые установлена взаимосвязь макростроения, дисперсности с показателями физических, физико-химических и физико-механических свойств. Показано, что вариации показателей свойств максимальны для горизонтально и линзовидно переслаивающихся песчаных и глинистых грунтов. Получены новые зависимости физических свойств нижнемеловых песчаных и глинистых грунтов от состава и строения, а также их прочностных и деформационных свойств от физических свойств, выраженные уравнениями множественной регрессии.
Практическая значимость работы. Предложенная типизация толщ нижнемеловых пород, а также установленные взаимосвязи выделенных типов с определенными геоморфологическими элементами могут быть использованы при проведении изысканий на этапах составления программы работ и технического задания.
Результаты проведенного комплексного исследования состава, строения и свойств нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений могут широко использоваться в практических целях в качестве справочного пособия по нижнемеловым грунтам.
Полученные регрессионные уравнения могут быть использованы для оценки значений показателей ряда физических и физико-механических свойств грунтов (включая и пески нарушенного сложения) по характеристикам, легко определяемым в лаборатории.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XI, ХП и XIII международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов» (МГУ, 2004, 2005, 2006), VII международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2005), научно-практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве» (Москва, ПНИИИС, 2006), первой общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, ПНИИИС, 2006), опубликованы в сборниках тезисов годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (10-е Сергеевские чтения, Москва, 2008), научно-практической конференции «Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы» (Москва, 2008), рекомендованных ВАК журналах «Вестник Московского университета. Серия 4. Геология» (Москва, 2008, № 4) и «Бюллетень МОИП» (Москва, 2009, № 1).
Структура и объем работы. Диссертация объемом 262 страницы состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 165 наименований. Текст работы сопровождается 30 таблицами и 42 рисунками.
Современные условия залегания и распространение нижнемеловых пород территории г. Москвы
История изучения нижнемеловых отложений территории Москвы и Подмосковья насчитывает почти двести лет. Она связана с именами таких выдающихся исследователей как Г.И. Фишер Вальдгейм, И.Б. Ауэрбах, Г. Фриерс, Р. Мурчисон, Г. Траутшольд, Э. Эйхвальд, Г.Е. Щуровский, С.Н. Никитин, А.П. Павлов, В.Д. Соколов, А.Н. Розанов, С.А. Добров, Б.М. Даныпин, П.А. Герасимов, А.Г. Олферьев, Т.Ю. Жаке и других.
Эволюция взглядов на генезис и стратиграфическую принадлежность тех или иных пачек в составе меловой толщи территории г. Москвы отражена в работе Б.М. Даньшина «Геологическое строение и полезные ископаемые г. Москвы и ее окрестностей» [34]. Детальные сведения об истории исследования нижнего мела в пределах Московской синеклизы изложены в материалах А.Г. Олферьева, В.Г. Бурковского «Детализация стратиграфической схемы меловых отложений Московской синеклизы» [114].
Крупно- и среднемасштабное картирование территории Москвы и Московского региона, проводимое с 1960-х по 2000-е гг. [115, 106, 107, 116, 105], позволило уточнить существующие взгляды на состав и строение нижнего мела Москвы и Подмосковья, а в ряде случаев и по-новому подойти к стратификации разреза.
До 1986 г. стратиграфическое подразделение нижнемеловых отложений Москвы и Подмосковья проводилось в соответствии с региональной стратиграфической шкалой (схемы, предложенные некоторыми исследователями в период с 1936, по 2001 г. приведены в составленной автором на основе систематизации литературных и фондовых данных табл. 1.1). Проект местной стратиграфической схемы нижнего мела Подмосковья и прилегающих к нему областей был впервые изложен А.Г. Олферьевым с соавторами [114], впервые опубликован в 1986 г. в статье А.Г. Олферьева «Новые данные о геологическом строении нижнемеловых отложений Подмосковья» [68]. Позднее, в 1990-х - 2000-х гг., опираясь на предложенную А.Г. Олферьевым местную стратиграфическую схему, коллективами под руководством Т.Ю. Жаке были составлены карта дочетвертичных отложений масштаба 1:50 000 Московского административно-хозяйственного района [106] и карта г. Москвы в пределах Садового кольца масштаба 1:10 000 [107]; Е.С.Артемьевой и др. - карта листа N-37-II (Москва и ближнее Подмосковье) масштаба 1:200 000 [105]. В стратиграфической схеме, лежащей в основе построения карт масштабов 1:200 000 и 1:10 000, в соответствии с «Постановлением по уточнению положения границы юры и мела в бореальной области и статусу волжского яруса» [75 ] верхневолжские отложения отнесены уже к берриасскому ярусу нижнего мела. Ранее верхневолжские отложения рассматривались как верхнеюрские.
В соответствии с современными представлениями о стратиграфии нижнемеловых отложений территории современной Москвы [68, 106, 107, 63, 105], в составе нижнемеловой толщи выделяются (снизу вверх) берриасский, готеривский, барремский, аптский и альбский ярусы (рис. 1.2).
Берриасский ярус представлен лыткаринским горизонтом (J3-K1/O, нижняя граница которого опускается в титонский ярус юры. Отложения этого горизонта широко распространены на междуречных пространствах г. Москвы (рис. 1.3). Формирование их происходило в мелководных условиях. Построен лыткаринский горизонт сложно. В его нижней части выделяется лопатинская свита, с размывом залегающая на мневниковских отложениях верхней юры. Лопатинская свита отсутствует местами на севере и востоке территории города. Сложена она в нижней своей части, главным образом, песками кварцево-глауконитовыми темно-зелеными или зелено-черными, тонкомелкозернистыми, в основании иногда до среднезернистых, с галькой фосфоритов. Пески обычно алевритистые, слабо слюдистые, как правило, неизвестковые, лишь на западе территории слабо карбонатные. Характерны частые хаотичные включения мелкого слабофоссилизированного детрита арагонитового слоя аммонитов яркой пестрой окраски. Встречаются редко рассеянные, иногда вытянутые в послойно ориентированные цепочки, желваки фосфоритов преимущественно глинисто-песчанистого типа. На северо-западе и юге территории нижние слои песков местами фациалыю нечетко замещаются сильно песчаной неплотной глиной или глинисто-песчаным алевритом. Мощность нижней части свиты - до 8 м. Верхняя часть свиты в наиболее полных разрезах сложена мелкопесчаными глинами или песчаниками на фосфатно-глинистом цементе (редко с карбонатной примесью). Глины обычно пятнистой зелено-серой окраски, глауконитовые, с частыми нечетко гнездовидными стяжениями фосфата, цементирующего песчанистые участки породы. Местами с увеличением песчаной составляющей и степени фосфоритизации песчаные глины замещаются песчаниками. Нередко к таким породам приурочены значительные скопления обломков раковин пелецепод и ростров белемнитов. Мощность верхней части свиты - до 4-5 м, чаще до 2-3 м. Общая мощность лопатинской свиты на большей части территории - 3-6 м. Аномальные ее увеличения, до 8-10 м, отмечаются местами на крыльях Очаково-Томилинской флексуры и Юрловской флексурообразной зоны [106].
Лопатинская свита согласно перекрыта кунцевской толщей. Типовой разрез ее находится у Кунцевского парка. Распространена кунцевская толща преимущественно в южной части территории. Отсутствует она в кайнозойских «окнах» на северо-востоке территории, на севере (Сходнинская моноклиналь) и на отдельных участках активного предмелового и предготеривского размыва на юго-западе территории (главным образом в пределах Апрелевской положительной структуры). Представлена кунцевская толща двумя песчаными пачками. Первая, более распространенная и более типичная для толщи, сложена тонкослоистым чередованием песков сильно глинистых тонко-мелкозернистых, алевритов и глин песчаных неплотных. Преобладают пески. Породы темного зеленовато-серого, местами слабо коричневатого цвета, кварцево-глауконитовые, средне- и слабослюдистые, более глинистые в нижней части разреза, здесь же местами - слабофосфоритизированные, в основании нередко с гравием и галькой фосфоритов. Мощность пачки до 15 м, чаще до 8-10 м.
Вторая пачка отмечается редко, в основном в зоне распространения люберецкой толщи и на востоке территории, и представляет собой породу, переходную между этими толщами, но литологически больше тяготеющую к кунцевской. Представлена пачка песками слабо- и среднеглинистыми зеленовато-серыми, тонко-мелкозернистыми, с редкими небольшими линзами алевритов глинистых. Мощность пачки достигает местами 10-12 м, чаще не превышает первых метров. Общая мощность кунцевской толщи на большей части территории меняется от 2-3 м до 8-10 м, меньшие ее значения отмечаются на западе-северо-западе, местами на юго-востоке площади. Большими мощностями - от 10 до 20 м характеризуется опущенное крыло Очаково-Томилинской флексуры.
Современные представления об инженерно-геологических особенностях нижнемеловых грунтов исследуемой территории
Нижнемеловые грунты остаются очень слабо изученными в инженерно-геологическом отношении. В практике инженерных изысканий распространена ситуация, когда отложения раннемелового возраста рассматриваются как единая толща с индексом Кь в пределах которой специалистами выделяются отдельные инженерно-геологические элементы, детальное же стратиграфическое подразделение (выделение свит, толщ) зачастую не проводится. Поэтому практически невозможно сопоставить данные разных организаций по составу, строению и, прежде всего, свойствам нижнемеловых отложений на различных участках в г. Москве; не представляется возможным также охарактеризовать свойства грунтов отдельных свит (толщ) на территории города.
Кроме того, в составе нижнемеловой толщи широко распространены обводненные песчаные грунты, отбор и сохранение образцов естественного сложения из которых представляет собой сложную задачу. В силу этого, большинство организаций, проводящих изыскания в г. Москве, отбирают из песчаных прослоев меловой толщи образцы нарушенного сложения и определяют для них только гранулометрический состав, плотности в рыхлом и плотном сложениях и коэффициент фильтрации. Такие важные для проектирования инженерных сооружений показатели свойств как плотность, коэффициент пористости, модуль деформации, угол внутреннего трения и сцепление принимаются для песчаных грунтов на основании приблизительных оценок по результатам статического зондирования, а также на основании использования нормативных документов - СНиП и МГСН [55].
Анализ фондовых данных различных инженерно-геологических организаций и картировочных партий (инженерно-геологическая партия № 6/44, ООО НПФ «СтройИнвест Ко» и др.) по южному и юго-западному административным округам г. Москвы показал, что основная проблема, которая может возникнуть при использовании нижнемеловой толщи в качестве основания сооружений связана, прежде всего, с присутствием в ней отдельных песчаных и супесчаных разностей, склонных к разжижению или проявляющих плывунные свойства. К сожалению, исследованием таких отложений в составе нижнемеловой толщи, практически никто не занимался, и остаются совершенно нераскрытыми вопросы о природе их плывунности. Остается неразработанной также методика натурного исследования плывунных грунтов, включая методику опробования плывунов in situ. Существующие методы отбора песков из скважины даже при незначительном гидростатическом напоре воды не позволяют получить образец в ненарушенном состоянии. Испытания плывунных разностей статическим зондированием некорректно из-за их разуплотнения при проникновении в них зондов [53, 54].
Обобщая все вышесказанное, можно заключить, что на настоящее время при кажущемся обилии информации, касающейся нижнемеловых грунтов, реально отсутствуют сведения о составе, строении, физических и физико-механических свойствах грунтов отдельных стратиграфических подразделений и их региональном изменении.
В этом разделе собраны и систематизированы немногочисленные данные по инженерно-геологическим свойствам нижнемеловых пород, которые встречаются в фондовой литературе начиная с 1936 г. Следует отметить, что во многом эти данные устарели, в основном благодаря использованию в настоящее время нового подхода к стратиграфии нижнего мела.
Согласно данным МГТ и ГИДЭПа, исследовавшим инженерно-геологические условия юго-западного района г. Москвы [120] (схема стратиграфического расчленения, используемая в материалах этих организаций отражена в табл. 1.1) преобладающей фракцией гранулометрического состава всех нижнемеловых песков является фракция 0,25-0,05 мм (табл. 1.2). Вышеупомянутыми организациями также установлено, что в песках всех выделенных горизонтов и ярусов гравий или совершенно отсутствует или его содержание 0,1-0,2%. Верхневолжские пески (которые по современной схеме стратиграфического расчленения относятся к нижнему мелу) более разнородны по составу, более глинисты и пылеваты. Наиболее чистыми и однородными являются аптские пески, в соответствии с этим несколько выше и их фильтрационные свойства. Отмечается также, что, благодаря насыщенности подземными водами, все перечисленные мелкозернистые по составу пески относятся к типу плывунных пород.
По данным МГТ и ГИДЭПа [120] пески занимают доминирующее положение в нижнемеловой толще, но она по своему составу неоднородна. Среди песков верхневолжского яруса встречаются прослои песчанистых глин, среди песков неокомского яруса - прослои грубых кварцево-железистых песчаников, среди аптских песков - тонкие пропластки глин.
Комплексная характеристика нижнемеловых отложений дана П.И. Панюковым в «Инженерно-геологическом справочнике по грунтам Московской области» [112] и в работе «Инженерно-геологическая характеристика грунтов Московской области» [ПО].
В этих работах нижнемеловые отложения делятся на неокомский, аптский и гольтский ярусы; характеристика песчаных и глинистых разностей для каждого из подразделений дана отдельно. Для пород гольтского (альбского) яруса территории г. Москвы данных по свойствам в работах П.И. Панюкова не приведено.
Согласно П.И. Панюкову [112, ПО] песчаные разности аптских отложений отличаются однородностью гранулометрического состава, и в случаях их обводненности — свойствами типичного плывуна. По гранулометрическому составу они представлены тонко- и мелкозернистыми песками (табл. 1.3). Фракции тонкого и мелкого песка (или их смеси) во всех случаях преобладают (содержание их всегда превышает 75 %, в отдельных случаях достигая 81-90%). Плотность частиц песков в среднем выдерживается в пределах 2,62-2,64 г/см , плотность 1,55-1,71 г/см , пористость песка в среднем 40%. Угол естественного откоса под водой 30, сухого грунта — выше (30). Сжимаемость аптских песков равна 0,004-0,016 см /кг. Коэффициент фильтрации по данным опытных откачек равен 0,7-5,2 м/сут.
Отмечается также, что при осушении аптские пески приобретают высокую связность и переходят как бы в слабые песчаники (при достижении влажности около 15 %). При полном высыхании такие песчаники вновь рассыпаются в песок [112, ПО]. Ф.П. Саваренский [123] связывал эти особенности аптских песков и их плывунность со свойствами их мелкодисперсной части. Действительно, химические анализы указывают на наличие алюмосиликатов, гидроокислов железа, а также органических веществ, при известной концентрации которых в определенных условиях песок может приобретать характер плотной массы, и наоборот, при водонасыщении, те же пески приходят в высокоподвижное (плывунное) состояние.
В работах П.И. Панюкова [112, 110] аптские пески оцениваются как прочное, «жесткое» основание, и при исключении явлений разрыхления, имеющих место при водоотливе (суффозионный вынос частиц, оплывание), допустимое давление на них рекомендуется в размере 2,5-3,0 кг/см (в аптских песках выше уровня грунтовых вод -3,5 кг/см2). В откосах аптские пески, в силу их уплотненности и довольно высокого значения угла откоса, устойчивы.
Глинистые разности аптских отложений, по данным П.И. Панюкова [112, ПО], играют резко подчиненное значение, залегая в виде отдельных прослоев, обычно маломощных, в толще охарактеризованных выше песков. Лишь в верхней части яруса они присутствуют более постоянно и достигают значительной мощности [112, ПО]. Состав и свойства аптских глин, развитых в пределах Теплостанской возвышенности, приведены в табл. 1.4. Показатели пластичности этих грунтов изменяются в следующих пределах: число пластичности 1,8-16,1%, верхний предел пластичности 38,7-44,6%, нижний предел пластичности 22,3-32,8%). Коэффициент фильтрации аптских глинистых грунтов составляет 2-10"-32-10" м/сут. Эти грунты отличаются повышенным содержанием органических веществ (до 12% ) и карбонатов.
Лабораторные исследования и обработка экспериментальных данных
Нижнемеловые грунты исследовались как полиминеральные, полидисперсные, трехфазные системы с применением методов, разработанных в грунтоведении и литологии. Минеральный состав нижнемеловых грунтов определялся методом рентгеновской дифрактометрии на приборе «ДРОН-3», совмещенном с ЭВМ [76, 43]. Анализ был выполнен сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии Шлыковым В.Г., Крупской В.В. и Левицкой Л.А. Определение содержания карбонатов проводилось кальциметрическим методом по И.Ф. Голубеву [16]. Для характеристики состава и содержания водорастворимых солей выполнялся анализ водных вытяжек, рН которых определялся с помощью рН-метра. Щелочность от нормальных карбонатов и общая щелочность, а также содержание кальция, магния и хлора определялись титрометрическим методом, натрий с калием - по разности. Содержание сульфат-ионов определялось весовым методом [2, 67]. Содержание органического вещества определялось методом мокрого сжигания по ГОСТ 23740-79 [22]. Химический состав глауконитовых зерен, отобранных из нижнемеловых грунтов, определялся с помощью энергодисперсионного спектрометра INCA-300, работающего в качестве приставки к растровому электронному микроскопу (РЭМ) LEO 1450VP. Для количественной оценки морфологических особенностей глауконитовых зерен были проведены специальные РЭМ-исследования в режиме отраженных электронов.
С помощью программы STIMAN, разработанной В.Н. Соколовым и др. [88], были получены значения плоскостных количественных показателей морфологии зерен: коэффициент формы, коэффициент сферичности Рилея, коэффициент округлости Коха, коэффициент окатанности Уоделла [43]. Гранулометрический состав песчаных грунтов определялся ситовым методом в комбинации с методом отмучивания. Подготовка образцов к анализу была произведена по методике П.А. Земятченского (кипячение с аммиаком) [76]. Для глинистых грунтов был выполнен пипеточный анализ с предварительным растиранием с пирофосфатом натрия [76]. Микроагрегатный анализ был выполнен в соответствии с ГОСТ 12536-79 [21]. Для количественной характеристики степени агрегированности были рассчитаны коэффициенты агрегированности по И.М. Горьковой [18]. Для характеристики гранулометрической неоднородности был рассчитан ряд показателей: коэффициент неоднородности (по Хазену), параметр неоднородности (по В.Д. Мелентьеву), коэффициент сбега, медианный диаметр [82, 31]. Для изучения состава и мезостроения нижнемеловых грунтов, а также выявления взаимосвязи минерального состава, дисперсности и морфологии зерен было проведено их исследование в шлифах и с помощью оптического бинокулярного микроскопа. При изучении шлифов использовался поляризационный микроскоп «Полам» Л 213-М. Исследования под бинокуляром проводились для нескольких песчаных фракций (от крупного песка до тонкого), а также для тех пылеватых частиц, которые оставались после отмучивания на поддоне колонны сит при проведении гранулометрического анализа. Для изучения микростроения глинистых грунтов был выполнен количественный анализ изображений, полученных при съемке образцов с помощью сканирующего растрового электронного микроскопа (РЭМ) LEO 1450 VP [76]. Результаты анализа предоставлены профессором кафедры инженерной и экологической геологии Соколовым В.Н. Грануло-минералогический анализ был выполнен Сурковым А.В. по предложенной им оригинальной методике [91, 90]. Естественная плотность песчаных и глинистых грунтов была получена методом режущего кольца, естественная влажность - весовым способом (по ГОСТ 5180-84) [25, 76]. Плотность песков в рыхлом и плотном сложениях определялась по ГОСТ 22733-77 [82]. Уплотняемость и степень плотности были получены расчетным способом [76]. Плотность твердых частиц определялась пикнометрическим методом (по ГОСТ 5180-84) с использованием воды для песчаных разностей, керосина - для глинистых [25, 76]. Для удаления воздуха суспензии вакуумировались в течение суток. Влажности верхнего и нижнего пределов пластичности для глинистых грунтов определялись методом раскатывания в шнур и методом балансирного конуса, соответственно (по ГОСТ 5180-84) [25, 76]. Влажность максимальной молекулярной влагоемкости определялась методом влагоемких сред (по А.Ф. Лебедеву) [76]. Пористость, коэффициент пористости, плотность скелета, степень влажности, полная влагоемкость, уплотняемость, степень плотности, число пластичности, показатель консистенции, показатель коллоидной активности были получены расчетным способом [76, 30]. Коэффициент фильтрации определялся в трубке "Спецгео" (по ГОСТ 25584-90) при градиентах напора 0,5; 0,7 и 1,0 [26]. Расчетные значения коэффициента фильтрации были получены по формуле С лихтера [89]: где Кф - коэффициент фильтрации (м/сут); А - числовой коэффициент, равный 88,3; Содействующий диаметр (мм); т - коэффициент, зависящий от пористости, /л -коэффициент вязкости воды, зависящий от температуры (последние два параметра находятся по таблице [89]). Набухание изучалось в приборе ПНГ по ГОСТ 24143-80 [27].
Типизация толщ нижнемеловых пород территории г. Москвы
На настоящее время накоплен большой опыт составления региональных схем деления грунтовых толщ - для Западной Сибири, Нечерноземной зоны РСФСР. Для выбора и обоснования способа типизации нижнемеловых толщ обратимся к истории развития проблемы систематизации и классификации грунтовых толщ.
Термин «грунтовая толща» был впервые введен в инженерную геологию в 1936 г. М.М. Филатовым. В большинстве случаев он употребляется как термин свободного пользования для наименования любой совокупности горных пород, характеризуемой в инженерно-геологических целях [31]. П.И.Фадеев [96] предложил понимать под грунтовой толщей толщу горных пород и почв, находящихся в зоне активного воздействия инженерных сооружений.
Наиболее полное определение грунтовой толщи было предложено В.Т. Трофимовым и П.И. Фадеевым в 1982 г. (Трофимов, Фадеев, 1982, стр. 27), которые трактовали ее как «толщу горных пород и почв, слагающую верхнюю часть разреза различных геоморфологических элементов и находящуюся (или в большинстве случаев могущую попасть) в зоне активного воздействия сооружений массовых видов строительства (гражданского, дорожного, мелиоративного, нефтепромыслового и т.д.)».
Границы грунтовой толщи условны и зависят от цели и признаков, которые используются для ее выделения [94]. При наземном строительстве верхняя граница грунтовой толщи совпадает с дневной поверхностью литосферы, а положение нижней границы (и соответственно мощность толщи) зависит от того, какую задачу ставит перед собой исследователь.
Латеральные границы грунтовой толщи определяются размером (площадью) сферы влияния проектируемого инженерного сооружения или комплекса сооружений. Для иерархического подразделения грунтовых толщ можно использовать генетические и морфологические признаки [92]. Большинство исследователей опирались при разработке классификаций грунтовых толщ на морфологические признаки. Так, П.И. Фадеев [96, 95] в качестве классификационных признаков использовал характер строения и состава грунтовых толщ. Е.М. Сергеев, А.С. Герасимова, В.Т. Трофимов [108] при разработке легенды карты грунтовых толщ Западно-Сибирской плиты предложили более широкий подход. В своих построениях они учитывали признаки двух групп: 1) показатели состава и строения толщ; 2) их современное состояние. Дальнейшее развитие вопросы выделения и иерархии грунтовых толщ получили при составлении карты грунтовых толщ Нечерноземной зоны РСФСР [29, 94, 32]. Позднее В.Т. Трофимов с соавторами [33] разработал систематику грунтовых толщ Западно-Сибирской плиты, а также выполнил региональное и типологическое районирование указанного региона по характеру грунтовых толщ. При иерархическом делении грунтовых толщ бьши использованы две группы признаков. Показатели состава и строения составляют первую группу признаков. Они включают количество классов и типов грунтов в разрезе толщи, а также их возможное сочетание, обуславливающее степень геолого-литологической неоднородности. Во вторую группу признаков входят характер состояния грунтовой толщи, обусловленный фазовым состоянием воды в них, среднегодовая температура и степень увлажненности (льдистости) грунтов. Аналогичный подход использовал В.Г. Коваленко [39] при типизации грунтовых толщ Аган-Вахского междуречья. Следует отметить, что при систематизации и классификации грунтовых толщ принято использовать построения трех типов: 1) однорядное, последовательное (тип «дерева»); 2) двухрядное, перекрестное (тип таблицы-решетки); 3) смешанное. Опираясь на существующие разработки в области систематизации грунтовых толщ, автор предлагает собственную схему типизации толщ нижнемеловых пород территории г. Москвы. Начнем с обоснования выбранной схемы. Прежде всего, следует оговориться, что применительно к поставленной задаче термин «грунтовая толща» не может быть использован в его классическом понимании. Мы будем пользоваться понятием «толща нижнемеловых пород», подразумевая под ним отложения раннемелового возраста. Мощность толщи естественно будет переменной, т.е. нижняя и верхняя ее границы будут как бы «плавающими». Сверху толща нижнемеловых пород может быть ограничена четвертичными образованиями либо верхнемеловыми отложениями (в районе Теплостанской возвышенности), снизу - юрскими отложениями. Латеральные границы типизируемых толщ определяются фациальной изменчивостью в пределах единых седиментационных циклов, а также постгенетическими изменениями: эрозией и ледниковой экзарацией. Территорию мегаполиса можно разделить на три области по характеру залегания толщ нижнемеловых пород и их мощности (рис. 3.1). Область А в геоморфологическом отношении соответствует Теплостанской возвышенности (т.е. это высокий водораздел и его склоны), характеризующейся сплошным распространением нижнемеловых пород и наиболее полным их разрезом (встречаются все стратиграфические подразделения). Область В представляет собой склон Смоленско-Московской возвышенности (междуречье pp. Москвы и Яузы) и участок Подмосковной равнины. Нижнемеловые породы имеют здесь местами прерывистое распространение, их мощности по сравнению с областью А значительно сокращены. И, наконец, область С - это долина р. Москвы, где нижнемеловые породы характеризуются редкоостровным распространением и малыми мощностями (сохранились только самые нижние горизонты). В основу предлагаемой типизации толщ (рис. 3.2) нижнемеловых пород (древовидного типа) положено деление по 3-м категориям признаков: 1) глубине залегания кровли; 2) мощности толщи нижнемеловых пород; 3) составу и строению толщи (типу разреза). На первом иерархическом уровне в соответствии с первым классификационным признаком выделяются 4 группы толщ нижнемеловых пород с глубинами залегания кровли: до 5 м; 5-10 м (две первые группы выделены по наиболее вероятным глубинам заложения различных типов фундаментов [56]); 10-30 м (примерно соответствуют глубине активной зоны); более 30 м (в зоне влияния подземных сооружений). На втором уровне, по мощностям нижнемеловой толщи были выделены 4 подгруппы: менее 10 м; 10-25 м; 25-50 м; более 50 м. На следующем структурном уровне нижнемеловая толща была разделена по составу и строению (типу разреза) на 9 типов: 1) Г - преимущественно глинистые; 2) П -преимущественно песчаные; 3) пГ - преимущественно глинистые, с песчаным слоем в верхней части толщи; 4) Пг - преимущественно песчаные, с глинистым слоем в нижней части толщи; 5) гПг - песчаные, с глинистыми слоями в верхней и нижней частях толщи; 6-9 - циклично переслаивающиеся песчаные и глинистые: 6) г/г-п - с преобладанием глинистых, в верхней части с глинистым слоем; 7) п/г-п - с преобладанием глинистых, в верхней части с песчаным слоем; 8) г/п-г - с преобладанием песчаных, в верхней части с глинистым слоем; 9) п/п-г - с преобладанием песчаных, в верхней части с песчаным слоем. Для циклически построенных толщ (типы г/г-п, п/г-п, г/п-г, п/п-г) в виде подстрочного индекса указывается общее количество слоев (песчаных, глинистых, пачек тонкого переслаивания песчаных и глинистых пород, песчаников) мощностью более 0,5 м (циклы, обусловленные колебанием уровня моря, а не климатическими причинами [5, 6, 7, 38]).
