Лёссовые грунты территории города Иркутска и оценка их просадочности

Чтобыуправлять Природой, надо ей подчиняться".

Фрэнсис Бэкон.

Известно, что судьбы многих древних городов складывались в зависимости от местных геологических условий и протекавших там естественных процессов (Леггет, 1976). Каждый город имеет свои «геологические опасности», которые с течением времени и при активном участии человека создают определенный риск для его жизни. В Иркутске к числу таких опасностей относятся сейсмичность, распространение лёссовых грунтов с разнородной просадочностью, подтопление и формирование техногенных водоносных горизонтов.

Объектом наших исследований являются лёссовые отложения территории города Иркутска, представленные различными геолого-генетическими комплексами (dQ33, aQ3, aQ4, edQ), мощностью от 1−3 до 20 м. Поздневерхнечетвертичный комплекс (dQ3) в виде сплошного субаэрального покрова залегает в пределах второй — четвёртой надпойменных террас Ангары и её придолинных склонов, а также второй террасы Иркута. Верхнечетвертичный аллювиальный комплекс (aQ3) — это пойменные фации третьей и четвёртой террасы, перекрытые субаэральным чехломсовременный аллювий (aQ4) в виде маломощных прослоев залегает в составе пойменной фации первой террасы Ангары. Элювиально-делювиальные лёссовые отложения (edQ), мощностью менее 3 м связаны с участками распространения пород юрской угленосной формации.

Лёссовые 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 лёссовых грунтах имеет природно-техногенный характер и относится к группе неблагоприятных, а в некоторых случаях и катастрофических явлений. Для любого города присутствие лёссовых грунтов мощностью до 10 м и более в пределах тех или иных геоморфологических элементов создаёт проблему оценки их просадочности.

Выявление лёссовых признаков и картирование лёссовых толщ на территории города определяют обязательное изучение их просадочности по вертикальному разрезу в условиях природного и дополнительного давлений. Существует немало примеров, когда недостаточное внимание к этому процессу приводило к неблагоприятным и даже катастрофическим последствиям. Многие здания, построенные ранее без учёта возможного проявления просадочности, сейчас требуют капитального ремонта. Данный факт сигнализирует о необходимости совершенствования оценки просадочности лёссовых грунтов и проведении мероприятий по уменьшению и предотвращению её негативных последствий.

В настоящее время ГОСТ 25 100–95 «Грунты. Классификация» упразднил понятие «лёссовый грунт" — в результате при проведении инженерно-геологических изысканий на различных строительных площадках Иркутска выделяются просадочные супеси и суглинки, несмотря на то, что еще в 1887 году И. Д. Черский в Иркутской части долины Ангары описал лёссовые породы «эолийного» происхождения, а в 2001 году опубликована монография «Лёссовый покров Земли и его свойства». Таким образом, реальное существование различных геолого-генетических комплексов лёссовых отложений на территории города исключается из инженерно-геологических разрезов, что является очередным казусом стандартных подходов.

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.

Площадки под строительство, а также основания эксплуатируемых сооружений в районах распространения лёссовых грунтов отражают естественную реакцию техногенного воздействия на объекты геологической среды. Учитывая это, возникает необходимость в более детальной и комплексной оценке просадочного процесса с целью предотвращения связанных с ним негативных последствий.

Таким образом, современный этап 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 диссертационной работы является разработка вопроса оценки просадочности лёссовых 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 лёссовой проблемы урбанизированных территорий в свете эволюции взглядов и методических подходов при исследовании различных её аспектов во времени.

2. Реализация современных методических разработок, в свете комплексного подхода к оценке просадочности лёссовых грунтов городских территорий.

3. Изучение распространения лёссовых грунтов на территории города Иркутска.

4. Комплексная характеристика состава, микроструктуры, физических и физико-химических свойств лёссовых 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 с 1999 года до настоящего времени, широко распространённых на территории города Иркутска. Результаты специальных исследований, выполненных в рамках нормативных документов, изложены в технических отчётах Центра геолого-экологических исследований (ЦГЭИ), в которых диссертант принимал непосредственное участие при проведении лабораторного изучения физико-механических свойств и гранулометрического состава грунтовых толщ в рамках программ инженерно-геологических изысканий. В отчётах, хранящихся в архиве ЦГЭИ, полученные результаты представлены в виде сводных ведомостей и паспортов грунтов. Кроме того, диссертантом проведено изучение микроструктуры (на базе определения гранулометрического состава), минерального состава тонкоглинистой 0,001 мм) фракции и физико-химических (набухание) свойств лёссовых грунтовпросадочность 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 (ИЗК СО РАН). Использованы многочисленные публикации, связанные с темой диссертационной работы. Высокая степень достоверности и обоснованности полученных научных результатов гарантируется значительным объёмом и надёжным качеством использованного фактического материала.

Методы исследований.

В качестве методологической базы были использованы стандартизированные методики определения показателей физико-механических свойств глинистых (лёссовых) грунтов (ГОСТы 5180 — 84, 23 161 — 78, 24 143 — 80). Дополнительно к этому реализованы современные методические разработки грунтоведческой группы Аналитического центра (АЦ) ИЗК СО РАН, связанные с количественным определением содержания глинистых 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 расчёта 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 полученных материалов выделены основные этапы изучения лёссовых отложений в Приангарье, в том числе в пределах города Иркутска.

2. Впервые составлена схематическая карта распространения лёссовых грунтов территории города Иркутска с учётом 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 лёссовой толщи.

4. На базе метода «структурных диаграмм» автором разработан алгоритм расчёта — «Микроструктура», с помощью которого автоматически определяются параметры микроструктуры лёссовых и глинистых грунтов.

5. Предложен «комбинированный» метод определения коэффициента относительной просадочности лёссовых 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 лёссовые 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 лёссовых 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 расчётах 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. Лёссовые 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 грунтадля набухающих разновидностей метод «двух кривых» может привести к ошибочным результатам, поэтому при оценке просадочности лёссовой 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 лёссовых грунтов Приангарья.

2. С применением компьютерных технологий составлена схематическая карта распространения лёссовых грунтов на территории города Иркутска.

3. Проведён 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 лёссовых 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 расчётов при изучении микроструктуры лёссовых 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 лёссовых грунтов.

Практическая значимость работы.

На основании проведённых комплексных исследований условий 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 т. ч. 41 рисунок, 13 таблицсписок литературных источников составляет 107 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Изучение лёссовых грунтов на юге Восточной Сибири имеет длительную историю, связанную с геологическими и инженерно-геологическими исследованиями, которые включают региональные, локальный и специальный этапы. Последний связан с изучением просадочности лёссовых толщ при инженерно-геологических изысканиях на отдельных площадках в пределах г. Иркутска. Лёссовые грунты занимают 19,1% городской территории, имеют сплошное (их доля составляет 46,6%) и островное (53,4%) распространение. В первом случае в виде субаэрального покрова (dQ3) мощностью до 20 м они залегают в пределах второй — четвертой террас Ангары и её придолинных склонов, содержат горизонты погребённых почв, во втором — это маломощные (до 3 м) лёссовые отложения пойменной фации современного аллювия первой террасы (aQ4) и элювиально-делювиального (edQ) комплекса, связанного с породами юрской угленосной формации. Кроме того, лёссовые грунты отмечаются в составе пойменной фации аллювия (aQ3) третьей и четвертой террас, перекрытой субаэральной толщей. Для территории Иркутска впервые составлена схематическая карта распространения лёссовых грунтов, которая сопровождается типовыми геолого-литологическими колонками, а также инженерно-геологическими профилями, где по опорным скважинам выделены просадочные зоны, установленные в вертикальном разрезе грунтовой толщи.

Комплексное изучение просадочности лёссовых грунтов по шести площадкам инженерно-геологических изысканий на территории города, которое проводилось с применением указанных методов и выходило за рамки набора стандартных параметров, показало, что к числу антипросадочных признаков относятся смешанный (агрегированно-скелетный) тип микроструктуры, крупнопылеватый элементарный тип структурной модели, резерв обогащённой смектитом тонкоглинистой фракции, заключённый в агрегатах, и связанное с этим резервом набухание. В то же время установлено, что образцы со смешанным типом микроструктуры, низкими значениями у плотности скелета (<1,60 г/см) и высоким набуханием при условии небольшого водонасыщения (степень влажности <0,5) оказываются просадочными при дополнительном (0,3 МПа) давлении. Кроме того, выявлена возможность редуцирования просадочности на застроенных территориях в результате повышения влажности лёссовой толщи при техногенных утечках из подземных коммуникаций, что в ряде случаев приводит к деформациям зданий и сооружений.

Качественный и количественный анализ взаимосвязей параметров микроструктуры, набухания, физического состояния (степень влажности, природная плотность и плотность скелета грунта) и просадочности лёссовых грунтов, распространенных на территории Иркутска, показали сложность их взаимодействия и подтвердили необходимость получения комплексной информации для достоверной оценки возможных просадочных деформаций.

Установлено, что при определении коэффициента относительной просадочности наиболее корректные результаты даёт метод «одной» кривой, так как региональной особенностью лёссовых отложений территории Иркутска является обогащение их тонкоглинистой фракции смектитом, который определяет склонность грунта к набуханию при степени влажности менее 0,80,9. Расчёты по программе «Decompose» показали, что содержание смектита достигает 40−70%.

В связи с этим при проведении инженерно-геологических изысканий на строительных площадках города в процессе выполнения лабораторных работ по изучению просадочности лёссовых грунтов следует установить величину относительного набухания для каждого образца-монолитаесли его величина превышает 4%, то для определения просадочности необходимо использовать метод: «одной кривой» или «комбинированный» метод, предложенный в данной работе.

Схематическая карта распространения лёссовых грунтов и результаты комплексного изучения их состава, микроструктуры, набухания, показателей физического состояния явились основой для составления методических рекомендаций по оценке их просадочности, направленных на оптимизацию инженерно-геологических изысканий на территории города Иркутска.