Содержание к диссертации
Введение
1. Основные черты геологического строения 15
2. Геологическая характеристика глинистых пород 34
3. Вещественный состав и физико-механические свойства глин 49
4. Геологическая характеристика лессового покрова 166
5. Характерные особенности состава и свойств лессовых пород 179
6 Анализ просадочности лессовых массивов юга платформы 232
7. Методика изучения свойств набухающих и просадочных пород в условиях длительного взаимодействия с водой 242
8. Изменение вещественного состава и физико-механических свойств набухающих пород при диффузионном выщелачивании 247
8.1 Тенденции в изменении свойств глинистых пород при длительном взаимодействии с водой 248
8.2 Прогноз устойчивости глинистых пород неогена к длительному обводнению 278
8.3 Инженерно-геологическая типизация глин по устойчивости к обводнению 299
9. Изменение состава и свойств лессовых просадочных пород при замачивании и фильтрации воды 305
9.1 Особенности изменения состава и свойств 305
9.2 Соотношение просадки и послепросадочного уплотнения 312
10. Инженерно-геологические аспекты изменения среды крупных городов
11. Инженерно-геологическое районирование массивов набухающих и просадочных пород
11.1 Факторы устойчивости геологической среды
11.2 Инженерно-геологическое районирование и оптимизация геологической среды
Заключение
Литература
Приложения
- Геологическая характеристика глинистых пород
- Геологическая характеристика лессового покрова
- Анализ просадочности лессовых массивов юга платформы
- Изменение вещественного состава и физико-механических свойств набухающих пород при диффузионном выщелачивании
Введение к работе
Актуальность исследований. Интенсивное промышленно-хозяйственное освоение территорий неизбежно ведет к нарушению баланса компонентов природной среды. Изменяется режим подземных вод, увеличивается влажность грунтовых массивов. Это влечет за собой заболачивание, образование оползней, набухание и просадку грунтов в основаниях зданий и сооружений и др. Инженерные сооружения, возведенные на структурно-неустойчивых просадочных и набухающих грунтах, часто претерпевают деформации, требуют дополнительных затрат на ремонт и эксплуатацию. Изменения в геологической среде приводят к нарушению условий жизнеобитания населения, вынужденного проживать в условиях повышенной влажности помещений, в деформированных зданиях, конструкции которых поражены плесенью и грибками, подвалы и подполья затоплены водой, а в помещениях круглый год изобилуют кровососущие насекомые.
Комплексные исследования и оценка территорий городских агломераций и участков хозяйственного освоения является одной из важнейших задач инженерной геологии и смежных наук. В настоящее время отсутствует единая классификация природных факторов устойчивости геологической среды к техногенным воздействиям из-за их многообразия и отсутствия способа количест-венного выражения при их взаимосочетаниях. В следствии этого не существует единой методики комплексной инженерно-геологической оценки территории. Разработка ее является одной из задач настоящей работы.
Цель исследований сводится к разработке методологических основ инженерно-геологических исследований техногенно нагруженных грунтовых массивов, сложенных активно просадочными и набухающими породами на основе анализа выявленных и обоснованных автором закономерностей формирования их состава, свойств и эволюционных преобразований при техногенезе.
Цель реализуется решением следующих задач.
1. Изучение характера и степени влияния различных природных факторов на формирование состава и свойств сармат-меотических набухающих глин.
2. Разработка методики проведения эксперимента по изучению набухающих глин в условиях диффузионного выщелачивания и выполнение таких исследований для сармат-меотических глин.
3. Выявление и обоснование закономерностей формирования состава и свойств лессовых пород на примере опорного региона, оценка их изменчивости и устойчивости.
4. Разработка методики проведения лабораторных экспериментов по оценке просадочных и послепросадочных (суффозионно-пластических) деформаций лессовых пород на примере опорного региона.
5. Анализ инженерно-геологических аспектов изменения геологической среды застраиваемых территорий на примере г. Кишинева.
б.Разработка методологического подхода к стратегии комплексной инженерно-геологической оценки территорий распространения просадочных и набухающих пород и оптимизации геологической среды с различным уровнем устойчивости к проявлению неблагоприятных инженерно-геологичнских процессов.
Объекты исследований и исходные данные. Диссертационная работа основана на результатах теоретических, экспериментальных и полевых исследований глинистых пород, выполненных автором на территории Молдовы (1980-95ГГ.).
Основные теоретические положения диссертации, методические и экспериментальные разработки выполнены лично автором или при его участии в качестве ответственного исполнителя, либо руководителя исследовательских работ проводимых Лабораторией физико-механических свойств горных пород, в рамках бюджетной тематики Института геофизики и геологии АН МССР по заданию ГКНТ на 1986-90ГГ «Исследовать физическое состояние, состав и физико-механические свойства основных регионально -генетических типов глинистых пород Молдовы, дать их инженерно-геологическую оценку в связи с водохозяйственным строительством и разработать рекомендации по их учету при проектировании.» (Гос. регистр, номер 01.86.0028384), по заданию КНТ Молдовы, (на 1991-95гг): «Исследовать физическое состояние, состав и физико-механические свойства основных регионально-генетических типов лессовых пород Молдовы, дать их инженерно-геологическую оценку в связи с водохозяйственным строительством.», а так же по республиканским целевым и межотраслевым научным программам, финансируемым из бюджета Молдовы: «Орошение северных районов республики Молдова», «Водоснабжение и орошение южных регионов Молдовы из р. Дунай», «Сейсмическое микрорайонирование городов Молдовы».
Методы исследований. Диссертационная работа выполнялась в Лаборатории физико-механических свойств горных пород Института геофизики и геологии АН Молдовы.
Проведено комплексное обследование более чем 1000 образцов набухающих и лессовых пород на опорных геологических разрезах. Приготовлено и изучено 50 образцов грунтовых паст. Комплексные исследования состава и свойств грунта включали определения: возраста и происхождения; макро и микроскопическая характеристики структуры и текстуры; минерального состава оптическими методами; минерального состава дисперсных фракций комплексом электронно-микроскопических и термолюминисцентных исследований; гранулометрического и микроагрегатного состава; химического состава солевого комплекса пород; емкости поглощения и состав обменных катионов; показателей физических свойств грунта; реологической характеристики грунта и его размокаемости; пластической прочности, прочности на срез и сжимаемости; показателей набухаемости и просадочности и др. Выполнено более 300 опытов по длительному (до 1 года) диффузионному выщелачиванию глин и 100 опытов по длительной (до 3 месяцев) фильтрации воды через образцы лессовых пород.
Общее количество анализов составило около 100 тысяч. Анализы выполнялись в Центре автоматизации научных исследований АН Молдовы (химические исследования водных и соляно-кислых вытяжек), в Северо-Кавказском филиале ПНИИИС г. Ставрополь (электронно-микроскопические исследования), в Лаборатории физико-механических свойств горных пород Института геофизики и геологии АН Молдовы (макро и микроскопические исследования структуры и текстуры, физико-механические свойства, механический состав, лабораторное моделирование диффузионного выщелачивания глин и фильтрации воды через лессовую породу).
Полевые исследования проводились лично автором в период его работы в институте «МолдГИИНТИЗ» (1976-87гг.) и в период экспедиционных работ в Институте геофизики и геологии АН Молдовы (1987-95гг.).
В работе обобщены и проанализированы многочисленные фондовые материалы проектно-изыскательских организаций ГОССТРОЯ СССР и МССР, а так же Министерства геологии СССР по изучаемым регионам.
Наиболее существенные новые научные результаты, полученные лично автором диссертации.
1. Впервые дана обобщающая характеристика минерального, гранулометрического и микроагрегатного составов, структуры, показателей просадочности и послепросадочного уплотнения лессовых пород. Охарактеризован режим изменчивости показателей состава и свойств в региональном и стратиграфическом аспектах.
2. Впервые проведены обобщающие исследования показателей структуры, состава и свойств сармат-меотических набухающих глин, с оценкой региональной изменчивости и влияния на характер объемных деформаций при техногенезе.
3. Установлены закономерности изменения микроагрегатного состава, аг-регированности, степени засоления, просадочных и послепросадочных деформаций лессовых пород в условиях длительной фильтрации воды; обоснована методика расчета послепросадочного их уплотнения по результатам стандартных компрессионных испытаний.
4. Оценены воздействия основных природных и техногенных факторов на. набухаемость и разупрочнение сармат-меотических глин в условиях длительного техногенного обводнения. Разработана методика для оценки устойчивости глин при диффузионном выщелачивании.
5. Разработана научно обоснованная типизация глин по устойчивости к техногенному обводнению, включающая методику их изучения в условиях длительного диффузионного выщелачивания.
6. Предложен методологический подход к комплексной инженерно- геологической оценке территорий сложенных просадочными и набухающими породами и научно обоснованы мероприятия по оптимальному функционированию геологической среды.
Достоверность научных результатов обеспечена большим количеством фактических данных, полученных в метрологически аттестованных лабораториях Академии наук Молдовы, Института «МолдШИНТИЗ», СКФ ПНИИИС, статистически представительными выборками данных, корректным применением методов обработки инженерно-геологической информации и непротиворечивостью основных выводов и полученных автором результатов по объектам диссертационных исследований.
Теоретическое значение диссертационной работы заключается в расширении и углублении представлений о физико-химических процессах протекающих в глинистых породах при взаимодействии с водой и влиянии на их деформационное поведение.
Практическое значение работы заключается в разработке автором научно-обоснованной методики прогнозирования послепросадочных деформаций лессовых пород; выполненной типизации глин по устойчивости к длительному обводнению; выявлении основных закономерностей техногенного обводнения лессовых толщ, положенных в основу методики прогноза подтопления терри торий проектируемого строительства; разработке практических рекомендаций по оптимальному функционированию геологической среды; предложении набора регрессионных уравнений зависимости показателей механических свойств глинистых пород от их физических характеристик и показателей состава и структуры.
Полученные результаты могут использоваться при инженерно-геологических изысканиях для различных видов строительства и геоэкологических исследованиях территорий, сложенных просадочными и набухающими породами.
Реализация результатов диссертационных исследований. Прикладные и методические разработки автора использованы предприятиями Академии наук Молдовы, ГОССТРОЯ МССР, МолдНИИГиМ и др. при разработке стратегии мелиорации северных регионов республики, осуществлении проектов орошения и водоснабжения междуречья Прут-Ялпуг из р. Дунай, сейсмическом микрорайонировании городов Молдовы. Результаты исследования набухающих глин Северной Молдовы и их типизация по устойчивости к обводнению использованы Институтом географии АН Молдовы для научного обоснования мелиорации северных регионов республики (1990-92 гг.). Карта просадочности лессовых толщ междуречья Прут-Ялпуг и общая характеристика пород использованы институтом «МолдНИИГиМ» при разработке стратегии водоснабжения и орошения южных регионов Молдовы из р. Дунай (1992-94 гг.). Результаты изучения свойств лессовых пород и процессов подтопления на территориях г.г. Кишинева и Тирасполя (комплект инженерно-геологических карт) использованы институтом геофизики и геологии АН Молдовы и ПНИИИС для целей сейсмического микрорайонирования этих городов (1993-95 гг.).
Теоретические положения и методические разработки диссертации использованы при проектировании отдельных объектов промышленно-хозяйственного назначения и используются при чтении лекционных курсов «Инженерная геология», «Геоэкология» и «Механика грунтов» в Камышинском высшем военном инженерно-строительном училище, ВолгГАСА и ВолГУ.
Апробация диссертационной работы осуществлена более чем на 30 научных форумах. Материалы исследований докладывались на V и VI Всесоюзных конференциях по инженерной геологии (Свердловск, 1986 г.; Ростов-на-Дону, 1988 г.); VI и VII Всесоюзных совещаниях по изучению четвертичного периода (Кишинев, 1987 г.; Таллин, 1990 г.); П, III и IV Всесоюзных конференциях по цикличности лессовых отложений (Полтава, 1983 г.; Ровно, 1985 г.; Пятигорск, 1987 г.); Всесоюзной научной конференции, посвященной 80-летию академика Г.А. Мавлякова (Ташкент, 1990 г.); XIV Всесоюзном совещании по глинистым минералам (Новосибирск, 1988 г.); Всесоюзном совещании по подтоплению застроенных территорий (Новосибирск, 1984 г.), Всероссийском совещании «Геодинамика и техногенез» (Ярославль, 2000 г.); на V Всероссийской конференции «Оценка и управление природными рисками». Риск - 2003. (Москва, март, 2003 г.).
Апробация материалов на международном уровне осуществлена на XVIII Румынско-Американском академическом конгрессе (Кишинев, 1993 г.); Международных научно-практических конференциях: «Сертификация, экология, энергосбережение» (Кемер-Турция, 1998 г.); «Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов» (Волгоград, 1999 г.); Международном научном симпозиуме в рамках международного конгресса «Экология, жизнь, здоровье» (Волгоград, 1996 г.); Международном конгрессе географических обществ Румынии и Молдовы (Кишинев, 1995 г.); Международной научно-технической конференции-семинаре «Проблемы экологии в строительстве» (Ираклион-Греция, 2000 г.).
Основные результаты исследований докладывались на республиканском совещании по подготовке оснований зданий и сооружений на просадочных грунтах (Кишинев, 1984 г.); Межвузовских научных конференциях Поволжского региона (Волгоград, 2000 г.; Камышин, 1996 г., 1997 г.); IV съезде географи ческого общества Молдовы (Кишинев, 1993 г.); ежегодных чтениях в Академии наук Молдовы (1989 г., 1990 г., 1991 г., 1992 г., 1993 г., 1994 г.); годичных чтениях в Российской экологической академии (Волгоград, 1998 г., 1999 г.).
Публикация. Основные положения диссертации опубликованы более чем в 50 научных работах общим объемом свыше 45 печатных листов, в том числе: две монографии (одна в соавторстве с A.M. Монюшко), одно учебное пособие; статьи в журналах: «Инженерная геология», «Геоэкология», «Известия АН Молдовы»; тематических и межвузовских сборниках и др. А также отражены в 12 научных отчетах по госбюджетной тематике Института геофизики и геологии АН Молдовы и хоздоговорным темам института «МолдГИИНТИЗ».
Благодарности. В процессе многолетних исследований существенную помощь в организации и проведении полевых и экспериментальных исследований автору оказывали сотрудники Лаборатории физико-механических свойств горных пород ИГиГ АН Молдовы: О.П. Богдевич, В.М. Вовк, И.А. Вовк, И.М. Зильберман. Автор вспоминает их с благодарностью. Особую признательность диссертант выражает своим учителям: д.г.-м.н. проф. В.П. Ананьеву и А.°Р. Романову, способствовавшим его становлению как исследователя и научного работника; научному консультанту д.г.-м.н. И.И. Молодых и д.г.-м.н. проф.: В.И. Коробкину, Р.Э.Дашко, В.В. Антонову рекомендации которых во много определили завершение исследований и оформление диссетации.
Диссертант считает своим долгом вспомнить д.г.-м.н. A.M. Монюшко, создавшего базу и организовавшего планомерные научные исследования глинистых грунтов в Молдове, светлой памятью о котором может служить настоящая работа.
Объем, структура и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 11 глав, объединенных в 2 части, и заключения. Общий объем работы составляет 380 страниц, в том числе 90 таблиц, 80 рисунков, список литературы из 252 наименований.
Геологическая характеристика глинистых пород
Природа инженерно-геологических свойств глинистых пород в значительной степени обусловлена режимом бассейнов, в которых происходило накопление осадков и дальнейшей геологической историей региона.
Сарматский век. Палеографическая обстановка, условия накопления и формирования глинистых осадков в Галицийском заливе Сарматского моря, к которому относится территория нынешней Молдавии (по схеме Ильиной и др. 1976) на протяжении всего сарматского века были довольно сложными и непостоянными, о чем свидетельствуют литологические особенности, фаунистиче-ский состав и условия залегания глинистых осадков в регионе.
Наибольшая раннесарматская трансгрессия наблюдалась во второй половине волынского времени. Море покрывало всю территорию Молдавии. Оно было довольно мелким и опресненным. Однако, в конце этого времени происходит некоторое углубление бассейна и возникают условия для накопления тонкослоистых карбонатных глин сначала на территории нынешнего Припрутья, затем восточнее, вплоть до линии Кишинев-Каменка. В это время Галицииский залив представлял собой полузамкнутый бассейн, имеющий сообщение в виде проливов как с Паннонской областью (на северо-западе), так и с Понто-Каспийской (на юге).
В начале среднесарматского времени продолжается трансгрессия вод Гали-цийского бассейна на восток. На большей части территории (до линии Кишинев-Каменка) устанавливаются относительно глубоководные условия. В условиях полузамкнутого, значительно опресненного и прогретого бассейна происходит массовое развитие диатомовых водорослей и кремневых губок, скопление остатков которых привело к образованию диатомитовых и спонгалитовых глинистых пород. Развитие диатомовых водорослей и кремниевых губок, по мнению В.Х. Рошки (1966), находилось в прямой зависимости от повышения содержания кремнезема в морской воде, что в свою очередь, вызывалось наступлением больших масс кислого вулканического пепла, приносимого ветрами со стороны Карпат. Остатки такого пепла в виде вулканического туфа обнаружены B.C. Саяновым и Ф.С. Пересом (1960) и др. Пачка глинистых пород среднесармат-ского времени образования по преобладающей фауне моллюсков получила название слоев с Ciyptomactra psendotellina [251].
Со второй половины раннесреднесарматского времени в результате продолжающейся трансгрессии на значительной части территории Молдавии устанавливаются относительно глубоководные условия. В силу замкнутости, незначительной площади и изометричности Галицийского залива, приливы и отливы в нем были мало заметны, волны - сравнительно небольших размеров. Сила переноса таких волн с глубиной угасала, что отражалось в накоплении однообразных глинистых осадков на незначительном расстоянии от берега и небольшой глубине. К западу от полосы барьерных рифов, проходящих по линии Кагул-Кишинев-Каменка, где глубины превышали 100 м, происходит накопление тонкослоистых терригенных глинистых осадков с Cryptomactra pesanseris. К востоку от этой линии накапливаются главным образом карбонатные органогенные отложения ( по данным Г.И.Молявко с добавлениями В.Х.Рошки, 1966).
После образования криптомактровых слоев к концу второй половины среднего сармата условия отложения глинистых осадков изменяются. В это время на фоне общего сокращения бассейна, сопровождающегося резким обмелением и опреснением, происходит несколько циклических инверсий, во время которых отлагались глинистые и алевритовые осадки. Кратковременные изменения глубины бассейна, очевидно, связаны с колебательными тектоническими движениями. В результате этого, надкриптомактровая толща среднего сармата представляет собой переслаивание трех пачек песчаных пород с тремя пачками глин.
С конца среднего сармата на большей части территории Молдавии устанавливается континентальный режим и происходит формирование региональной поверхности выравнивания. В прибрежно-аккумулятивной ее части широко рас пространились озерно-болотные и дельтовые фации, где отлагались мощные толщи алевритистых песков с прослоями глин.
Верхнесарматский бассейн заметно обмелел и опреснился. В начале позд-несарматского века в результате снижения солености бассейна на территории Молдавии по данным О.Г. Бобринской (1981) полностью вымирает морская микрофауна. Береговая линия в период максимального развития верхнесарматского бассейна в центральной части междуречья проходила немного севернее сел Карманово, Трушены, Карпинены, на крайнем юге она достигала северного склона Добруджи. Понижение базиса эрозии за счет положительных движений в Предкарпатье и юго-западной части Русской платформы вызвало интенсивную деятельность речных систем. Вслед за отодвигающейся к югу береговой линией моря продвигаются и реки. Мелководность верхнесарматского бассейна, усиленный принос терригенного материала, медленная регрессия моря способствовали образованию в прибрежных частях бассейна обширных дельт. В низовьях эти дельты, сливаясь образовали огромную аллювиальную равнину, занимающую среднюю часть Центрально-Молдавского плато (Румыния), междуречье Днестр-Прут и юго-запад Украины. По мере отступления береговой линии позд-несарматского бассейна и наступления дельты в глубь моря, в верхнесарматских отложениях наблюдается скольжение фаций с севера на юг. Отложения наземной части дельты перекрывают авандельтовые осадки, а последние - морские отложения. Наблюдающееся увеличение мощностей верхнесарматских отложений к югу междуречья (до 130 м) говорит о сохранении здесь на протяжении этого времени небольшого широтного прогиба. На востоке он соединялся с Причерноморской впадиной, на западе - с Валашской. По своему характеру он представлял пологую ложбину, в которой в первой половине верхнего сармата и меотиса - озерно-лагунные и дельтовые отложения, впоследствии получившие название кагульской свиты.
Своеобразные условия образования глинистых пород верхней части разреза позднего сармата обусловили их комковатую текстуру, обильную карбонатиза
Геологическая характеристика лессового покрова
Изучением инженерно-геологических свойств лессовых, пород Молдовы в разные годы занимались различные исследователи. До 1980г такие исследования связаны с именами Г.Е. Костика [99, 100], B.C. Гончарова [54, 55] и др. Эти исследования носили случайный характер и были направлены, в основном, на решение практических задач проектирования и строительства. С начала 80-х годов изучением лессовых пород занималась группа исследователей Института геологии и геофизики АН Молдавии под руководством Ю.И. Олянского. Эти многолетние исследования имели комплексный характер и были направлены на выявление основных закономерностей состава и происхождения пород для разработки научно обоснованной методики прогноза их свойств [148, 151, 152, 153,154 и др.].
Стратиграфия. Анализ основных черт неотектонических движений территории междуречья Прут-Днестр, заключающихся в преобладании на всем протяжении четвертичного периода положительных движений над отрицательными для большей части региона, позволил К.Н. Негадаеву-Никонову [144] сделать вывод о невозможности детального стратиграфического расчленения лессовых отложений в пределах всей территории. Ибо в центральной и северной ее частях, испытывавших поднятие на протяжении почти всего антропоге-на, не могло произойти накопление мощной толщи покровных отложений, чередование лессовых горизонтов и ископаемых почв в которой соответствовали бы определенным периодам оледенения и межледниковья на Русской платформе. Такой областью, в которой существует определенная закономерность в строении лессового покрова, является южная часть республики южнее линии г. Леово - г. Дубоссары. Другой областью, где возможно детальное стратиграфическое расчление лессовых пород, является область четвертичных террас p.p. Прут, Днестр и их крупных притоков.
В монографии [144] приведена схема стратиграфии четвертичных отложений республики. В основу для ее составления легли материалы исследований Н.А. Константиновой и Н.В. Ренгартена [98, 194] - для Южного Припрутья и
Н.Ф. Веклича [29, 30] - для Южного Приднестровья. В соответствии с этой схемой, вся территория республики подразделяется на две области: с преобладающим устойчивым поднятием (северная) и преобладающим устойчивым, опусканием (южная) - граница между ними проходит по линии г. Леово - г. Ду-боссары. В пределах северной области выделяют два участка: долинно-террасовый и водораздельных пространств со склонами. Внутри второй области дополнительно к двум вышеуказанным выделяется участок аккумулятивных равнин. Стратиграфически расчленимыми с различной степенью детальности являются только отложения долинно-террасового участка аккумулятивных равнин юга. Для первого участка палеопедологический метод может быть применен в комплексе с геоморфологическим. В этом случае возраст подстилающих лессовый покров аллювиальных отложений определяется возрастом террасы. Лессовые же отложения, при наличии в них ископаемых почв, разделяются в зависимости от количества последних и их вида [29,30].
Для участка аккумулятивных равнин юга использование палеопедологии наиболее эффективно только на высоких первичных водоразделах, характеризующихся наличием полного хорошо выдержанного по площади разреза четвертичных отложений, в основании которых залегают хорошо выраженные красно-бурые глины плиоценовой поверхности выравнивания.
В результате исследований, выполненных в лаборатории палеонтологии АН Молдовы, предложена следующая схема стратиграфии отложений четвертичного возраста Молдавии [ 144]: нижнечетвертичные отложения - Qi1+2; среднечетвертичные отложения - СЬ ; верхнечетвертичные отложения - Cbl+2; современные отложения - Q4. Каждый из отделов плейстоцена соответствует времени формирования двух надпойменных террас. Вследствие особенностей неотектонических движений региона мощность и количество лессовых горизонтов в пределах одной террасы увеличивается с севера на юг. В северной части Прут-Днестровского междуречья, испытывающий поднятия на протяжении всего четвертичного периода, лессовый покров водораздельных пространств и склонов наиболее молодой и условно отнесен к верхне-современному отделу. Так как интенсивность и амплитуда подъема территории в четвертичное время уменьшалась с севера на юг, то южнее Кодр в районе г. Кишинева уже отчетливо наблюдаются две лессовые толщи: современная и верхнечетвертичная. И только в южной части территории южнее линии г. Леово - г. Дубоссары на отдельных водоразделах встречается маркирующий уровень красно-бурых глин и суглинков, перекрывающихся 2-4 горизонтами лессовых пород нижнего, среднего, верхнего и современного отделов четвертичного периода. Таким образом, основные положения стратиграфии лессового покрова региона сводятся к следующим: а) в пределах Прут-Днестровского водораздела лессовый покров самый молодой и на преобладающей части территории представлен образованиями верхнего и современного отделов четвертичной системы; б) в долинах крупных рек встречаются лессовые отложения всех отделов четвертичной системы, в зависимости от возраста террас, однако, если в север ной части региона наиболее древние лессовые отложения обнажаются на по верхности или перекрываются более поздними отложениями небольшой мощ ности, то в южных районах они погружаются на значительную глубину. .Цитологическая характеристика лессового покрова и подстилающих отложений. Анализ неотектонических движений земной коры в плиоцен - четвертичный периоды показывает, что по условиям образования, залегания и распространения лессовый покров Прут - Днестровского междуречья может быть разделен на 3 района: северный, центральный и южный. По суммарному эффекту четвертичных движений вся территория междуречья делится на две части, граница между которыми проходит по линии с. Валены - с. Чимшпкой - с. Криничное - п. Суворово. К югу от этой линии в течение четвертичного периода преобладали опускания, к северу - поднятия. Максимальное поднятие произошло в центральной части территории (район Кодр), где плиоценовый аллю
Анализ просадочности лессовых массивов юга платформы
Оценка инженерно-геологических свойств лессовых пород южной окраины Русской платформы выполнена по 9 опорным районам, расположенным в междуречье Прут-Днестр (массивы 1,2,3), междуречье Ю. Буг-Днестр (массивы 6.7), на левобережье р. Днепр (массив 8), на Нижнем Дону (массив 9) и Нижнем Волге (массиве 4, 5).Расположение их показано на рис. 6.1. Массивы, расположенные на территории Молдовы и Волгоградской области, охарактеризованы по собственным данным автора, другие - по опубликованным данным других авторов [35,105,125].
Основными факторами формирования просадочности лессовых толщ по мнению различных авторов [109, 213] являются геолого-географические, включающие: возраст, генезис, метеоклиматические условия и геоморфологию, а также постгенгетические процессы, обусловленные преимущественно антропогенной деятельностью. Характеристика метеоклиматических и геолого-геоморфологических условий формирования лессовых пород описываемых массивов дана в табл. 6.1. и 6.2., а свойств - в табл. 6.3.
Многие исследователи связывают просадочность с такими климатическими параметрами как: температура воздуха и лессовых пород, радиационный баланс, радиационный индекс сухости, коэффициент увлажнения и др. [213]. Установлен практически линейный характер зависимости величины максимальной просадочности от среднегодовой температуры лессовых пород в пустынной, полупустынной и сухостепной зонах (Минервин, Королев, 1984). Сквалец-ким [213] для лессовых пород Таджикистана выявлена более сложная зависимость просадочности от температуры пород. Не маловажное значение здесь имеет количество осадков. Поэтому один температурный фактор, без учета увлажнения, полностью не может объяснить различия просадочности пород.
Более эффективными показателями являются радиационный баланс дея-тельной поверхности R, ккал/см и радиационный индекс сухости R/LA, где А - годовая сумма осадков; L - скрытая теплота испарения воды. Индекс сухости дает представление о балансе тепла и влаги, позволяет оценить тип водного питания почво-грунтов и степень увлажнения территории [26]. Изучая свойства лессовых пород в связи с этими показателями Н.И. Кригер [108] установил, что просадочность сохраняется в районах со значением R в пределах 0-50 ккал/см в год радиационного индекса сухости более 1.
Анализируя просадочность лессовых массивов в сопоставлении с метеоклиматическими факторами (табл. 6.1), можно однозначно утверждать, что вывод Н.И. Кригера подтверждается нашими исследованиями. Для всех описываемых массивов R не превышает 50-55 ккал/см2, что позволяет рассматривать территории как зональное географическое явление. Еще более тесная связь просадочности наблюдается с радиационным индексом сухости. Н.И. Кригер приводит следующее регрессионное уравнение:
Анализ данных по просадочности описываемых массивов юга платформы и радиационного индекса сухости, определенного в опорных пунктах, позволил получить следующее регрессионное уравнение:
В выявленную зависимость просадочности от радиационного индекса сухости плохо вписываются лессовые породы Прикаспийской низменности. Несмотря на высокое значение индекса сухости (1,03), величина относительной просадочности здесь небольшая (0,029). Пористость пород тоже невелика (0,39), что у большинства регионов характерно для непросадочных пород. Объяснение этому заключается в следующем. Лессовые породы всех характеризуемых массивов имеют близкий генезис. Накопление мелкозема здесь происходило вследствие различных процессов в субаэральных условиях. В результате образовались высокопористые отложения обладающие просадочностыо. Генезис лессовых пород Прикаспийской низменности преимущественно аллювиальный. Просадочные свойства они могли приобрести только вследствие разуплотнения осадка [131]. Таким образом, степень просадочности данных пород в большей мере обуславливается степенью их разуплотнения, чем метеоклиматическими факторами.
Коэффициент увлажнения Кув., широко используемый в климатологии,мелиорации и др. науках, представляет собой отношение суммарного количества осадков А к испаряемости Ео за 1 год. Он используется при агроклиматическом районировании [247]. Многие исследователи применяют коэффициент увлажнения при изучении просадочности, сохранение которой в лессовых породах зависит от проникновения и миграции влаги в зоне аэрации. Е.Н. Сквалец-ким [213] приводит следующие регрессионные уравнения для лессовых пород Таджикистана (для Кув. от 0,1 до 0,9):
Определение коэффициента увлажнения в опорных пунктах юга платформы выполнено по количеству осадков и величина испаряемости за 1 год. Последняя рассчитывалась по формуле Н.Н. Иванова [80] с поправкой Л.А. Молчанова (1955):где tcp. - среднемесячная температура воздуха,а - среднегодовая относительная влажность воздуха.
При корреляционно-регрессионном анализе из выборки так же исключены данные по лессовым породам Прикаспийской низменности. Получено следуюЗависимость других показателей свойств лессовых пород от коэффициента увлажнения не установлена.
Таким образом, распределение величины просадочности лессовых пород юга платформы в целом соответствует представлению Н.И. Кригера о зональном географическом явлении Просадочность массивов лессовых пород (толщ) зависит, - помимо вышеизложенного, от тектонического режима территории. Максимальные мощности (до 35 м.) лессовых пород наблюдаются на юге
Изменение вещественного состава и физико-механических свойств набухающих пород при диффузионном выщелачивании
В результате взаимодействия слабопроницаемых глинистых пород с водой в системе "порода-вода" устанавливается физико-химическое равновесие. Содержащиеся в породе соли переходят в водный раствор и процесс дальнейшего растворения прекращается. С изменением установившегося равновесия в результате поступления в породу новых порций ненасыщенной солями воды, процесс растворения возобновляется. В результате движения ионов в поровом растворе от мест с повышенной концентрацией поровых вод к местам с пониженной концентрацией, осуществляется диффузионный солеперенос, обусловленный градиентом концентрации. Длительное взаимодействие породы с водой в условиях непрерывного водообмена приводит к ее диффузионному выщелачиванию, при котором из породы выносятся растворенные соли и происходят глубокие необратимые физико-химические процессы, обуславливаемые изменениями в минеральном составе дисперсной фракции, ионно-солевом комплексе и др. Происходит ее расселение, сопровождаемое набуханием и разуплотнением, снижается прочность, изменяется деформационное поведение.
Изучение влияния длительного взаимодействия глинистых пород региона с водой на изменение их свойств выполнялись на примере образцов неогеновых глин с различными показателями степени дисперсности, минерального состава и состояния, ионно-солевого комплекса и типам структурных связей между грунтовыми частицами. Это позволяло определить основные закономерности изменения свойств слабозасоленных глинистых пород, какими являются сармат-меотические глины Молдавии, определить, основные показатели состава и свойств, влияющие на характер устойчивости глин к длительному воздействию воды и разработать типизацию глин по степени их устойчивости к техногенному обводнению. .Тенденции в изменении свойств глинистых пород при ихдлительном взаимодействии с водой.
Анализ характера изменчивости свойств глинистых пород в процессе выщелачивания в диффузионном приборе выполнен по следующим показателям: ионно-солевой комплекс, дисперсность, физические характеристики и состояние, механические свойства.
Состав воднорастворимых солей и минерализация перового раствора изучались по результатам водных вытяжек пород до и после выщелачивания. Анализ отдельных результатов показал, что значения минерализации порового раствора в процессе выщелачивания изменяются по-разному. В одних образцах происходит уменьшение, а в - других - ее значения не изменяются. Нечто подобное имеет место и с содержанием некоторых катионов. В связи с этим вся выборка была разделена по степени минерализации на 3 группы: менее ОД г/л; 0,1-0,2 г/л и 0,2-0,4 г/л, в пределах которых и анализировались данные выщелачивания. Результаты статистического анализа изменчивости отдельных показателей приведены в табл. 8.1; 8.2; 8.3. Анализ выборочных совокупностей пород до и после выщелачивания по каждому из показателей выполнен с использованием параметрических критериев Стьюдента (tp). Фишера (Fp ) и критерия, учитывающего коэффициент вариации (Нр), при уровне значимости а = 0.05.
Минерализация пород до выщелачивания составляла 0,047-0,423 г/л. После выщелачивания неизменной оказалась только минерализация "слабо" минерализованных образцов ( 0,1 г/л) для которых все статистические параметрические критерии (tp, Fp, Нр ) меньше табличных (табл. 8.1). Для образцов с более высокой минерализацией наблюдается почти повсеместное ее уменьшение в среднем в 1.5 - 1.6 раза, что подтверждается данными, приведенными в табл. 8.2 и 8.3. Аналогичная зависимость характера выщелачивания от значения исходной минерализации наблюдается для катионов Са+2 , Mg+2. Со-держание ионов К , Na , СГ, S04" во всех образцах снижается в 2,5-3,0 раза.
Несколько иной характер выщелачивания ионов Са+2 и Mg+2 для образцов с минерализацией более 0,1 г/л. Содержание иона Са снижается при этом в среднем в 1,15-1,20 раза, а иона Mg увеличивается в 1,20-1,36 раза. Исключе
