Оценка условий формирования крупнообломочных грунтов зоны выветривания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геотехники и дорожного строительства

ОЦЕНКА УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ КРУПНООБЛОМОЧНЫХ ГРУНТОВ ЗОНЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Кошкина Наталия Викторовна,

Хрянина Ольга Викторовна,

Астафьев Максим Вадимович

Аннотация

крупнообломочный выветривание грунт

Рассмотрены генезис, состав и выполнен сравнительный анализ физико-механических свойств опок Поволжья и Пензенской области. Даны рекомендации о возможности использования опок в качестве оснований сооружений.

Ключевые слова: кора выветривания, крупнообломочный грунт, опока, элювий

На территории Пензенской области основаниями инженерных зданий и сооружений нередко служат крупнообломочные грунты аллювиального, делювиального, элювиального происхождения. Рекомендации по их изысканиям крайне недостаточны, физико-механические характеристики изучены слабо. Особенно много ошибок встречается в оценке крупнообломочного элювия, развитого на коренных кремнисто-глинистых породах и песчаниках палеогена, верхнего мела [1].

Настоящая работа выполнена с целью определения особенностей формирования крупнообломочных грунтов зон выветривания на опоках палеогена Поволжья и Пензенского региона в частности.

Опоки Поволжья терригенно-кремнистой формации палеогена и верхнего мела залегают в переслаивании с опоковидными, глауконитовыми песчаниками и кремнистыми, мергелистыми глинами и суглинками. Толщи мощностью от 90 до 200 метров залегают на глубину от 0 до 30 метров. По правобережью Волги выходы палеогеновых отложений почти непрерывной полосой протягиваются от Ульяновска до Волгограда и до верхнего течения Суры. Ряд промежуточных разновидностей связывает опоки с глинами через глинистые опоки и кремнистые глины, и с песчаниками через песчаные опоки и опоковидные песчаники. Свойства названных пород разнообразны.

В пределах района Западной Поляны г. Пензы и многих населенных пунктов востока Пензенского региона при инженерно-геологических изысканиях отмечены выходы разнообразных опоковых пород палеогенового возраста [2]. Формирование их проходило в прибрежной шельфовой зоне мелководного моря и принадлежат они к морским кремнистым образованиям биохимического происхождения, в составе которых преобладает свободный кремнезем в виде халцедона и опала. Поэтому опоки залегают в виде невыдержанных переслаивающихся линз по мощности от 0,5 до 30 метров. Если толща тонкослоистая, то можно заметить, что выклинивание линз не связано с выклиниванием слоев, и это наводит на мысль о вторичности линзообразной формы, о её диагенетическом или эпигенетическом происхождении. Это подтверждается и тем, что раковины моллюсков в опоках сильно раздавлены. Значит, их раздавливание произошло тогда, когда порода была еще мягкая, а сверху уже накопился слой осадков достаточно мощный, чтобы раздавить ракушку. Отсюда очевидно, что затвердевание опок произошло во время позднего диагенеза или эпигенеза. При этом произошло частичное перемещении е кремнезема, - в местах меньшего его скопления оказались трепелы, а в местах большего - опоки. Толща сплошных опок нижнесызранского яруса на Волге образовалась, вероятно, без существенных вторичных перемещений кремнезема [3].

Опоки - наиболее известные в инженерно-геологической практике кремнистые породы. Это твердые, хрупкие породы, сходные по своему составу с диатомитом, радиоляритом, спонгилитом и другими рыхлыми разновидностями кремнистых пород согласно микроскопическим исследованиям. Образование их в природе связано со скоплениями панцирей и скелетных остатков морских организмов. От других твердых пород опоки отличаются легкостью, шероховатой поверхностью раковистого и плоскораковистого излома, своеобразным звуком при ударе и прилипанием к языку (гигроскопичностью), вследствие всасывающих свойств микропор. Цвет опок изменяется в зависимости от степени выветрелости и от состава. По цвету выделяют несколько разновидностей: черные (кремневидные), темно-серые с синеватым или зеленоватым оттенком, серые и светло-серые. В естественных обнажениях области одноцветные разности не встречаются, обычно наблюдается перемежаемость и взаимный переход цвета одного в другой не только в слоях, но и в отдельных кусках. Черный цвет опок обусловлен наличием большого количества мельчайших непрозрачных частиц органики.

Микроструктура опок глобулярная, агрегатно-глобулярная, сгустковая, но в некоторых разностях (преимущественно геосинклинальных) появляются кристалломорфные участки [4].

Минералогический состав опок довольно однообразен: основными минералами являются: опал кремниевых организмов, халцедон, примеси кварца, глауконита, мусковит, биотит, полевые шпаты, карбонаты, сульфаты, рудные и другие редкие минералы. Цемент опаловый - гидрогель кремния.

Количественный минералогический состав опок по образцам обнажений и буровых скважин Арбековского и Сурского месторождений довольно близок. Содержание примесей минералов в опоках Пензенского региона (табл. 1) колеблется в пределах 1,68-10,16 % [5].

Таблица 1. Основной минералогический состав опок Пензенской области

Содержание зерен кварца в опоках подвергнуто значительным колебаниям, что можно объяснить неравномерной его концентрацией, обусловленной особенностями осадконакопления. Размеры зерен кварца 0,02ч0,08 мм и очень редко 0,16х0,5 мм. В значительном количестве встречаются зерна размером менее 0,001 мм. Общее содержание обломочных минералов в опоках составляет 1,68ч17,37 %, на опалово-органогенную массу приходится 83-98 % (табл.2).

Химический состав опок соответствует минералу из гидроокислов - опалу, SiO·nH2O, иногда встречается окисел халцедон SiO2.

Таблица 2. Химический состав опок некоторых месторождений по Пензенской области и Поволжью

Данные химических анализов, как и минералогический состав, подтверждают отсутствие глинистой составляющей опок или указывают на весьма ничтожную ее примесь [5].

Опоки Поволжья нижнего отдела палеогена, нижнесызранского яруса слоями различной мощности, от нескольких сантиметров до метров, залегают в переслаивании с кремнистыми глинами и песчаниками.

Физико-механические свойства опок по Пензенской области и Поволжью представлены в таблице 3.

Таблица 3. Физико-механические свойства опок по Пензенской области и Поволжью

Согласно данным по Пензенской области, плотность опок с изменяется от 1,32 до 1,73 г/см3 (для Поволжья ниже -1,30 г/см3), плотность твердых частиц сS - 1,92 до 2,26 г/см3 (для Поволжья в среднем выше - 2,35 г/см3), пористость n - 10-41,5 % (для Поволжья - до 49 % - высокая). Прочность в сухом состоянии от 18,5 МПа у темных разностей до 19,6 МПа у светлых, в водонасыщенном - соответственно от 6,54 до 7,3 МПа. Коэффициент размягчаемости ksof изменяется от 0,33 до 0,4.

Механическая прочность палеогеновых опок Поволжья значительно изменяется, но достаточно высока. У черных кремнистых разностей временное сопротивление сжатию в водонасыщенном состоянии 5,8ч72,3 МПа, у светлых песчанистых - от 5,8 до 65,2 МПа, составляя в среднем для кремнистых 34 МПа, для песчаных опок - 26 МПа. Сопротивление сдвигу опок по напластованию составляет от 3,7 МПа у светлых разностей до 4,8 МПа у черных, перпендикулярно напластованию - соответственно 5,1ч5,6 МПа. Временное сопротивление сжатию у глинистых опок изменяется от 3,9 до 10,7 МПа, (в среднем 6,3 МПа), а у кремнистых глин - от 2,2 до 8,3 МПа (в среднем 4,8 МПа) [6].

Ряд промежуточных типов грунтов Поволжья (глинистые опоки, мергелистые и кремнистые глины) связаны с глинистыми, песчанистыми и кремнистыми опоками [7]. Снижение содержания свободного кремнезема и увеличение количества глинистых частиц уменьшают механическую прочность опок, сообщая им такие характерные свойства глин, как набухание, сжимаемость, размокание и пр.

Типичные опоки микропористые и обладают низкими значениями плотности. Черные кремнистые опоки плотные с раковистым изломом звенят при ударе, обладают очень высокой прочностью. Светлые трепеловидные разности нередко крошатся в руках и обладают шершавым занозистым изломом [6].

Водопроницаемость опок по порам ничтожна, хотя поры открытые и сообщаются друг с другом. Однако при определении коэффициента фильтрации в полевых условиях, в массиве, его величина достигает более 5 м/сутки, благодаря трещиноватости, возникшей при выветривании. Водоустойчивость опок высока, если породы не были предварительно подсушены в воздушной среде. Высушенные образцы при быстром погружении в воду покрываются многочисленными трещинами, часто параллельно наслоению.

Длительное пребывание опок в воде (месяц и более) вызывает иногда увеличение объема на несколько процентов, т.е. они набухают.

Морозостойкость опок слабая, они быстро разрушаются при многократном замораживании в условиях переменных температур и в водонасыщенном состоянии. После трехкратного замораживания образцы раскалываются по вогнутым поверхностям или параллельно напластованию.

Причина физической нестойкости зависит, с одной стороны, от минералогического состава, а с другой стороны - от пористости. Диаметр пор 0,004 - 0,001 мм. Несмотря на достаточную механическую прочность, открытая пористость сильно ухудшает стойкость. Этим объясняется весьма ограниченное использование опок в строительных целях.

Однако фундаменты домов дореволюционной постройки в г. Пензе нередко сложены из опок, опоковидных песчаников, заложенных в глины и суглинки [8]. Несмотря на длительный срок службы опоки и опоковидные песчаники находились в удовлетворительном состоянии.

Опоки значительно преобразуются под воздействием агентов атмосферы, особенно при нагреве-остывании, при промораживании в разные сезоны. На протяжении значительного геологического отрезка времени, с неогена до современного отдела четвертичного периода территория являлась сушей, и породы подвергались выветриванию. Образовалась довольно мощная толща элювия, от 5 до 10 м, которую можно расчленить на зоны по степени выветрелости (по Н.В. Коломенскому). Скорость выветривания зависит от состава пород, их водонасыщения и характера естественной защищенности от влияния внешних факторов. На воздухе породы быстро, за одни - трое суток светлеют и при ударе раскалываются на плоско-выпуклые обломки.

Толща элювия опок может быть подразделена, через постепенные переходы, на четыре зоны: пылеватую, или тонкого дробления; щебенистую, или мелкого дробления; глыбовую и монолитную.

Нижняя, или монолитная зона, мощностью до 5-6 м, характеризуется редкими признаками выветривания, в виде отдельных трещин и железистых выцветов по ним (за счет разложения глауконита). Породы относятся к полускальным, хорошие основания для сооружений. Однако при вскрытии опок этой зоны выработками в течение нескольких суток по степени выветрелости, образуются другие зоны мощностью в сутки от нескольких сантиметров, а в течение месяца - до 10 см и более.

Вторая зона - глыбовая, мощностью в несколько метров. Породы разделяются на блоки до 0,5-1,0 м в поперечнике, по трещинам содержат новообразования в виде кристаллов гипса, кальцита, по поверхности блоков встречается налет лимонита, в трещинах - кварцевый песок, перемещенный из верхних толщ.

Второй от поверхности земли прослеживается третья зона - мелкообломочная, мощностью в 0,5-1,0 до 3-5 м, в виде мелкощебенчатого и дресвяного материала, при ударе рассыпающегося на остроугольные обломочки, с песчано-глинистым заполнителем.

У поверхности, в зоне четвертой, мощностью от сантиметров до 10 реже 50 см, при длительном выветривании (5-10 лет), породы изменены до состояния песка (прослои песчаные) или глинисто-железистой (пылеватой) массы на опоках.

Суммарная мощность трех верхних зон за десятки лет достигает 6-8 м, что наблюдается в оврагах, при вскрытии коренных пород котлованами, на обращенных к югу обрывах по берегам рек.

Таким образом, применение нижнесызранских опок Поволжья в качестве строительного материала для сооружений, подвергающихся действию мороза, исключается. Слабая морозоустойчивость опок объясняется их высокой и открытой пористостью.

Прочностные свойства Пензенских опок зависят от степени выветрелости и изменяются в различных природных условиях. Диапазон разброса минимальных и максимальных значений так велик, что сглаживаются границы между свойствами более прочных черных и менее прочных светлых разновидностей. Территория, к которой принадлежит Пензенская область, еще в архейское время (3 млрд. лет назад) сформировалась как устойчивое поднятие на поверхности кристаллического фундамента - так называемый Токмовский свод, поэтому для опок Пензенской области характерно прерывистое невыдержанное распространение по мощности и они значительно слабее по прочностным показателям опок Поволжья.

При возведении сооружений на породах зон выветривания следует оставлять защитные целики мощностью до 0,5 метров, покрывать их слоем песка (при условии непродолжительного стояния котлована, менее года) или плотного суглинка, практически защищающего от агентов выветривания. Следует рекомендовать предварительное уплотнение трамбованием или устройство фундаментов в вытрамбованных котлованах.

Библиографический список

1. Горынин А.С., Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Инженерно-геологическая оценка грунтов мелового периода центра Русской равнины // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/48977 (дата обращения: 05.05.2015).

2. Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Инженерно-геологические условия северной оконечности плато Западная Поляна (г. Пенза, долина руч. Кашаевки) // Актуальные проблемы проектирования и возведения зданий и сооружений с учетом энергосберегающих технологий и методов строительства: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2011. С.167-178.

3. Осадочные породы. Л.: Гос. науч.-техн. издат-во нефтяной и горно-топливной литер-ры: Ленинградское отделение, 1958. Том II.

4. Справочник по литологии. [под ред. Н.Б. Вассоевича, В.Л. Либровича, Н.В. Логвиненко, В.И. Марченко]. М.: Недра, 1983.

5. Иванов И.А., Кондрашов А.В. Местные строительные материалы. Приволж. книж. изд-во: Пензенское отделение, 1969. 167 с.

6. Приклонский В.А. Грунтоведение. М.: Госгеолиздат, 1952. С.101-105.

7. Пономарева Т.В., Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Инженерно-геологические условия строительства на коренных глинах // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/03/49777 (дата обращения: 05.05.2015).

8. Кошкина Н.В., Хрянина О.В. Инженерно-геологические условия застройки склонов Западнополянского плато // Актуальные проблемы современного строительства: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Изд-во Пенз. госуд. ун-та арх-ры и строит-ва, 2013. С. 153-157.

Размещено на Allbest.ru