Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Инженерно-геологический анализ и оценка синих нижнекембрийских глин предглинтового района г. Санкт-Петербург

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологический анализ и оценка синих нижнекембрийских глин предглинтового района г. Санкт-Петербург"

РГ8 ОД

О 3 ФЕЗ Ш7

На правах рукописи

ПДЕЧКОВА КРИНА ЛЬВОВНА

ЙКЖЕПЕРНО-ГЕОЛОПРГЕаСШ АНАЛИЗ И ОЦЕНКА

.. СПШ'ЗХНМШ1ЕКЕМБРМЙаШХГЛИН . ПРЕДГЛИНТОВОГО РАЙОНА Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Специальность 04.60,07— "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мнаералогических наук

Санкт-Петербург 1996 г.

Работа выполнена на кафедре инженерной геологии Санкт-Петербургского государственного горного института имен» Г. В. Плехаиоза (технического университета).

Научный руководитель — доктор геолого-мпнералогичсских

наук, профессор Дашко Регина Эдуардов!

Официальные оппоненты:

Неизвестно я Ярослав Владимирович, доктор геолого-мииералогичесга наук; .

Бевзюк Владимир Михайлович, кандидат геолого-минералогнческих н ук„ додейт.

Ведущее предприятие — ГТП Севзапгеология.

. Зашита диссертации состоится 997 г.

в /4 час.мин на заседании диссертационного совета Д 063.15.07 при Санкт-Петербургском горном институте им. Г. В. Плеханова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, В-26, 21-я линия, д. 2, ауд.

Автореферат разослан ¿/¿г ? 199^г.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургскс Государственного горного института имени Г. В. Плеханова.

Ученый секретарь А

диссертационного совета, к. г.-м. н. Доц. Кузьмин А.В

ОЕЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ннжнекембрнйские синие глины широко распространены на Северо-Западе Русской платформы, занимая по площади обширную зону Санкт-Петербургского региона. В предглинтовой области они выходят на диезную поверхность, либо перекрыты маломощным чехлом четвертичных отложений. Соответственно, на этой территории синие глины служат основанием и средой для сооружений различного назначения (городских, промышленных, транспортных). 3 этих глинах производится захоронение промышленных отходов предприятий Санкт-Петербурга и Ленинградской области (опытно-промышленный полигон "Красный Бор"). Планируется дальнейшее расширение этого полигона н строительство крупных заводов по переработке отходов произведете. Спине глины рассматриваются как среда для размещения некоторых энергетических сооружений. Разшггие Санкт-Петербургского метрополитена в южном направлении определяет также необходимость достоверного инженерно-геологического обеспечения проходки перегонных тоннелей в этих отложениях, которые характеризуются повышенной вьгаалоопасностью.

При возведении и эксплуатации гражданских сооружений в г.г. Пушкине, Петродворае и Никольском, где основанием служили рассматриваемые отложения, наблюдалось их разрушение либо развивались длительные п неравномерные осадкн. В последнем случае требовалось изменение размеров фундаментов; чтобы предотвратить аварию. Кроме того, в течение ряда лет были зафиксированы подвижки береговых опор автомобильных мостов, заложенных в синих глинах на оползневых склонах рек, протекающих в предглинтовом регионе. Аварийные ситуации сооружений различного назначения заставляют предполагать, что уровень инженерно-геологнчсскпх знаний об этих отложениях не отвечает запросам практики и, соответственно, степени надежности подготовки и выполнения проектных решений.

Проведенные в ГГП Севзапгеология специальные геофизические исследования на полигоне "Красный Бор" (1995-96 гг.) показали наличие формирования обширного фронта загрязнения по глубине н о плане в толще синих глин, которые до недавнего времени рассматривались как практически абсолютный водоупор.

Цель работы - повышение степени надежности и достоверности инженерно-геологической информации на основе комплексного анализа и оценки условий формирования и преобразования нижнекембрийских глин с уютом техногенных воздействий.

Основные задач» исследований: 1) анализ особенностей и специфики формирования природы свойств синих глин в зависимости от условий развития процессов прогрессивного и регрессивного литогенеза; 2) установление основных закономерностей строения толщи, изменения состава, состояния и фнзнко-

з

■ механических свойств глин по глубине и площади их развитая в предглинтовой зоне; 3) определение влияния микро- и макротрещнносатости синих глин на их прочность п деформационную способность; 4) исследование влияния изменения физико-химических и биохимических условий на развитие негативных процессов трансформации синих глин; 5) разработка основных положений шшеиерно-геологического анализа н практических рекомендаций для повышения надежности достоверное™ опенки синих глин как осиопапия различных гражданских н промышленных сооружений.

Научная новизка работы заключается в следующем: 1) рассмотрено формирование природы прочности н деформационной способности синих глин с позиций влияния палеогеографических и окислительно-восстановительных условий их накопления и геологической истории развития рассматриваемого региона, в том числе особой роли тектонической обстановки; 2) проанализированы генетические факторы, определяющие развитие макро- и микротрещиноватости в толще рассматриваемых глин по глубине и их влияние на инженерно-геологические характеристики этих отложеиий; 3) установлено зональное строение толши синих глин по глубине на основе анализа процессов их регрессивного литогенеза и изменения интенсивности трещиноватости; 4) выявлены закономерности изменения прочности и деформационной способности синих глин в различных зонах по глубине в зависимости от степени их ра. зуплотнения и трещиноватости; 5) исследованы особенности преобразования синих глин при воздействии на них щелочных и кислых растворов, а также биохимически активных стоков; 6) разработаны основные рекомендации по инженерно-геологическому анализу и оценке синих глин как основания сооружений.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обуславливается большим объемом теоретических проработок, полевых и экспериментальных исследований, а также анализом аварийных и предаварийных ситуаций на объектах, возведенных на исследуемых глинах.

Практическая значимость работы заключается в принципиальном подходе и трактовке нижнекембрийских синих, глин как трещиновато-блочной среды, необходимости учета этой специфики пород для оценки их прочности, деформационной способности, водопроницаемости и напряженно-деформированного состояния, разработке инженерно-геологических моделей, оснований, сооружений, позволяющих с более высокой степенью достоверности выполнять инженерные изыскания и проектирование.

Апробация работы. Основные результаты диссертации освещались на научной конференции "Проблемы сейсмологии п инженерной геологии", посвященной 85-летию акад. Г.А. Мавлянова, в Ташкенте (1995 г.); на Международной конференции "Балтийская Геотехника-95" (г. Вильнюс); II заочной межгосударственной научно-технической конференции "Исследование действительной работы и усиление строительных конструкций промышленных зданий и сооружений" в Магнитогорске (1995 г.); научной конференции сту-

дентов н молодых ученых СПбГГИ(ТУ) им. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение" (1996 г.); научных семинарах кафедры инженерной геологии СПоГГИ(ТУ) им. Г.В. Плеханова в 1993-96 гг.

Основные положения диссертации отражены и 4 опубликованных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом стр. состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 1 наименований, включает_рисунков ¡1_таблиц.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность своему научному руководителю док. геол.-мин. наук, профессору Р. Э. Дашко за постоянную помощь па всем протяжении подготовки диссертационной работы. Автор искренне благодарит за ценные советы и замечания заз. кафедрой инженерной геологии, док. геол.-мин.наук проф. И. П. Иванова, а также к. геол.-МЕШ.'наук,.. доц, А. В. Кузьмина и к. геол.-мин.наук, доц. А. И. Арнаутова, научных сотруд--пиков Л. П. Норову и Е. С. Руденко, аспирантку кафедры инженерной теологии; М. О. Путикову за помощь при проведении экспериментальных работ.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Толща сшшх ннжнекембрнмекнх глин »¡.мест зональное строение по глубине как следстпне особенностей геологического развития региона, в то»« числе циклов тектонического орогенеза, стадии оледенении и современного периода их существования, определивших режимы прогрессивного и регрессивного литогенеза.

Формирование синих глин приурочено к каледонскому циклу орогенеза, начавшемуся в раннем кембрии, который унаследовал от позднего докембрия характер тектонической и палеогеографической обстановки, В этот период наблюдалось общее погружение Северо-Запада Русской плиты и, соответственно, образование синих глин приходится па максимум трансгрессии нижнекембрийского моря.

Основным источником поступления терригенного материала в нижнекембрийское море являлись котлинские глины, а также коры химического выветривания Балтийского и Украинского щитов, развитию которых способствовал влажный и теплый климат.

Согласно Н.М. Страхову рассматриваемые породы выделяются в особый класс отложений - гемипелагических синих глин, сформировавшихся в сильно выраженной' восстановительной обстановке из голубых илов, в которых существовали условия для генезиса сероводорода и образования сульфидов (рисЛ) [Страхов II. М„ 1962].

Обычно рассматриваются два типа возникновения восстановительных условий н формирования сульфидов в морских осадках.

1 тип. В донном осадке за счет окисления органики возникает геохимический барьер, на котором идет восстановление железа и выделение сероводорода, в то время как в морском бассейн хараетеризуется высоким содержанием кислорода.

2 тип. Восстановите тьные условия связали с очагами придонного сероводородного загрязнения.

Содержание органики (Сер! = 0,1-0,2%) в донных отложениях дает начало появлению двухвалентного железа, а при содержании С,тг > 1,4-1,5% пирит становится господствующей аутнгенно-мннералыюй формой соединении железа в морских глинистых отложениях (рис. 2).

Этот процесс начинается с образования сероводорода путем микробиоло-• гического восстановления сульфатов анаэробными сульфатредуцирующимп бактериями. Примерная схема сульфатредукции такова [Иерельман А. И., 1989]:

3 Ыа^О^+аДЬО, _> 3 Ма2СО;+3 Н20+3 С02+3 Н:5.

Образовавшийся сероводород вступает в реакции с РеО, в результате чего возникает гидротроиллит по схеме [Страхов Н. М., 1962]:

ГеОШ:81и Н20 Ре 8 • п Н20,

а также окисляется до свободной серы. Появление в донном осадке свободной серы нарушает физико-химическое равновесие в среде и дает толчок следующей серии превращений, важнейшим из которых является образование дисульфида железа из гидротроиллита:

Ре Б • п НгО+БГе 82+п Н20.

В процессе этой реакции гидротроиллит полностью исчезает, замещаясь пиритом. При этом в большом.количестве возникает тонко-дисперсный иприт -мельнпковит.

Стабильность гидродинамической и тектонической обстановок на стадиях осадконакоплсния и диагенеза синих нижнекембрийских глин определила однородность и монотонность глин по минеральному и гранулометрическому составу по всей глубине их разреза.

Глинистая составляющая синих глин представлена гидрослюдами двух морфологических типов: удлиненной и изометрично-пластиичатои, причем первая из них аугагеиная, а вторая - обломочная. В нижней части разреза появляется незначительное количество монтмориллонита в глинистой составляющей.

По гранулометрическому составу синие глины характеризуются как глины алевритовые. Причем по глубине разреза пе отмечается каких-либо закономерностей в изменении содержания различных фракций. Содержание глинистой фракции варьирует в пределах 25-57?'«; алевритовой - 50-60%, что указывает на близость областей сноса исходного материала; песчаной - 0-4,0%.

пески млеьллы

ГЛУбОКСВОДНЛЯ

^РДС^ДЯ глин А

4- + -+• - -+- -+-

flillinilllTlT^mr

CD* ЕБг Q№ № EZKS«.

Рис. 1. Окислительная и восстановительные зоны в осадках глубоководных бассейнов [Страхов Н. М., 1962].

1 - окислительная зона осадков; 2 - окислы железа, окрашивающие окислительную зону в бурый цвет; 3 - слабо выраженная восстановительная зона; 4 - сильно выраженная восстановительная зона; 5 - участки, обогащенные железом и марганцем; 6 - железо-марганцевые конкреции.

0.5

iO

1 и • ///

5 ■ - У

/

к ■ \

' 3 - V \ У

2 - \ \ / V /

i - к IV

1.5

2.0

LS

' cpr; %

Рис. 2. Соотношение содержания органики С,»,,,- , количества (Fe, %) и форм железа в глинистых морских породах [Страхов Н. М., 1962].

I - красноцветная фация; .

II - сидеритовая фация; III—пиритовая фация. ■

Как показали проведенные исследования, синие глины характеризуются высокой агрегнрованноегыо, Примем наибольший коэффициент агрегирован! ю-сш (1\шр) имеет фракция d = 0.002- 0.001 мм (Кэтр=1.91-2.5), меньшую— d <0.001 мм (К11Гр=1.06-1.15)

Высокая агрегироааппоегь синих глин вызвана присутствием в них органики и соединений железа. В связи с этим, несмотря на значительное содержание глинистой фракции в породе, она имеет низкую обменную способность (iO.2-12.5 мг-эко/100 г). В составе обменного комплекса преобладает катион Ca2' (7.74-8.61 ыг-окв/ЮО г), на мором месте - Mg2* (2.09-2.82 мг-экв/100 г), обменные Na+(0. i2-0.23 мг-экв/100 г) и !С+ (0.49-0.95 мг-экв/100 г).

Эпигенетические преобразования синих глин происходили за счет смены циклов прогрессивного и регрессивного литогенеза. Процессы прогрессивного литогенеза развивались за счет гравитационного уплотнения осадков под действием давления от перекрывающих пород, тектонических сил, изменения термодинамических ц физико-химических условий. Общая теория деформирования глинистых пород базируется на фундаментальных исследованиях Страхова Н.М., Вассоевича И.Б.,' Филатова М.М., Сергеева Е.М., Приклонско-го В.А., Рухина Л.Б. Ломтадзе В.Д., Коробановой H.A., Осипова В.И. и др.

С раннею кембрия до раннего триаса длился этап прогрессивного литогенеза; который затем сменился этапом регрессивного лиуогенеза, продолжав, шимся до четвертичного периода. В ледниковое время толща синих глин неоднократно подвергалась знакопеременному воздействию давлений, связанного с наступлением и таянием ледников. В настоящее время синие глины предглинтоиой области Санкт-Петербургского региона находятся на стадии регрессивного литогенеза.

Таким образом, неоднократная смена периодов прогрессивного и регрессивного литогенеза при чередовании циклов орогенеза и стадий оледенения нашла свое отражение в изменении физического состояния и физико-механических свойств синих глин по глубине разреза, а также определили зональность строения исследуемой толщи и интенсивность ее трещиноватости.

2. Каждая выделенная по глубине зона характеризуется определенной изменчивостью количественных показателей прочности и деформационной способности в зависимости от шггенсшщостн трещиноватости и степени разуплотнения н, соответственно, структурно-тектонического положения локальной территории.

ъ

Большое значение для инженерно-геологической оценки синих глин имеет наличие в ней трещиноватости, формирование которой обусловлено как тектоническими, так й нетектоническими факторами.

Образование тектонической трещиноватости теснейшим образом связано с проявлением каледонского, герцинского и альпийского цикла орогенеза, а • также новейшими тектоническими движениями на Северо-Западе Русской лли-

ты, п результате чего в толще сишк глин прослеживаются разломы с\бмерп-дионалыюго (севсро-ссверо-восток 10-15"), северо-западного (300-310'1), северовосточного ('10-50"), реже - субширотного простираний.

В соответствии с ними толща синих глин разбита тектоническими трещинами такого же направления, с углами падения 70-90".

Образование нетектопнческон трещпночатости началось еще на стадии диагенеза синих глин, когда формировались лнтогспетнческне трещины по напластованию этих глин и трещины усыхания. Б дальнейшем, формирование не-тектопической трешиноватостн связано со сменой циклов нагрузки-разгрузки и процессами выветривания. Особо следует выделить образование ппщнотекто-нических грещин в периоды оледенений.

Согласно исследованиям, проведенным В.Физером (УР^ег, 1988), выделено три категории гляциотсктоннческих трещин: две из которых кругшомао-шгабные, и их оси совпадают с главным направлением движения ледника;: третья категория - это более мелкие трещины, с осями перпендикулярными двум первым. Большинство гляциотектоничеекпх трещин имеет неровную, изогнутую поверхность. Они развивались за счет разрушения глин под действием веса ледника. Еще одной из характерных особенностей гляднотектоничсского трешпнообразояання является наличие плоскостей скольжения. В верхней части разреза синих глин до глубины 25 метров особенно четко выражены трещины, имеющие скорлуповатые, изогнутые либо волнистые поверхности.

Развитие прочесов регрессивного литогенеза привело к разуплотнению и гидратации верхней части разреза синих глин. Соответственно, по изменению величин влажности и плотности можно выделить 3 зоны, которые в спою очередь могут быть подразделены на 7 слоев, различающихся не только показателями физических свойств, но также степенью трещиноватости, прочностью и деформируемостью (табл. 1).

Наличие трещиноватости в эгнх породах предопределяет существенное варьирование показателей прочности этих пород в зависимости от применяемых методов их получения: без возможности бокового расширения (в срезных приборах) и с возможностью бокового расширения (в стабилометрах). В первом случае влияние трещиноватости практически не сказывается на результатах испытаний, во втором - за счет работы микротрешпн и бокового распора значения параметров сопротивления сдвигу значительно снижаются (см. табл. 1).

Таблица 1.

Изменение влажности, плотности, размеров блоков и прочности синих глин по глубине [ Дашко Р. Э., 1984].

Зоны NN слоев Глубина от поверхности, м Влажность . У/,% Плотность ' р, г/с?.«2 Размер блоков, м Прочность образца Относительная деформа-' икя разрушения образцов в сгаби- лометре, %

при трехосных • испытаниях в срезном . приборе

с, МПа 9, град с, МПа 9, град

Переменной влажности-плотности I 0-2,0 21,5-27,0 ■ 23,0(35) 1,96-2,05 . 2,0005) 0,10-0,20 0,0350,050 0 0,0550,075 0-3 6,0-63 6.2(15)

П. 3,0-8,0 20,0-23.0 21.5(40) 2.08-2.1? 2.15(40) 0,20-0,30 0,0750,117 0-2 0,11-0,145 6-8 5,7-6,1 5.7(16)

III 8,0-15,0 19,0(25) 2.10-2.22 ¿,19(25) 0,30-0,45 0,22-0,34 6-8 0,34-0,40 6-8 5.6-6,0 5,7(1бТ

Переход. ная IV 15,0-20,0 15,0-15,5 18,5(25) 2,10-2.22 2Ж25) 0,45-0,55 0,34-0,45 6-8 0,40-0,50 6-8 5,3 - 6.2 5,5(10)

Квазипос тоянной влажности плотности V 20,0-26,0 15,5-18.0 17,0(20) 2.15-2,28 '2,1*7120)" 0,50-0,60 0,4-0,52 • 6-8 0,48-0,55 6-9 5,0 - 5,4 5,2 (6)

VI 26,0-40,0 15,5-18,0 "17,0(20) 2.142,22 2,17(20) 0,60-0,70 0,57-0,68 8-10 0,60-0,68 8-12 4,4-5,0 4,6(6)

. VII >40 15^0-18,0 17,0(20) 2,12-2,22 2.17(20) 1,0-1,20 0,70-0,82 . 8-10 0,75-0,82 ■8-1? 2,8-35 3,0(6)

Примечание: в числителе - минимальные и максимальные значения показателя в знаменателе - средние значения и число определений

Пл!1я:1!!С м^хротрощниовагостн на прочность синих глин проявляется в наличии масштабного эД-фектг, который заключается в том, что с уменьшением размера образца 3!;лчеи:;с np-viaocni падает до определенного - асимптотического зн.хче:!»:!. Проведенные автором исследования проявления масштабного фактора » синих глин.in козволилн получить эмпирические зависимости для оценки прочности па одноосное сжатие синих глин самой верхней разуплотненной зоны (до глубины 20 метроп):

R~Ra схр [«(3-4.9)]. (1)

где R - прочность на одноосное ожатие образна площадью Г; Ro- максимальное значение прочности образца при F-=20.0 ем2; а - эмпирический коэффициент, зависящий от шптесизшста мшфотреашноватосги и физического состояния глин в рассматриваемо"; зоне; (> ~F„uv'F (Fm4 -98.0 см2 - максимальный размер образца; F-20.0-r98.0 см2 - диапазон размеров образно», используемых при испытаниях).

Для самой верхней зоны синих глин (до глубины 10 метроп) эта зависимость имеет вид: R=0.73 схр [0.4 (¡5-4.0)], для более глубокой зоны (от 10 до 20 метров): R-0.95 ехр [0.3 {fM.9)J.

Методом обратных расчетов при анализе аварийных ситуаций, возникших при строительстве милых зданий в г.г. Пушкине и ГТетродворце, была получена прочность синих глин in sit« с учетом их макро- и микротрещиноватости: R=0.074-0.036 МПа.

Сопоставление результатов, полученных при лабораторных испытаниях образцов и методом обратных расчетов, позволил сделать вывод о том, что при площади образца близкой к 100 см2, в лабораторных условиях фактически можно получить прочность с'.ших глин in situ.

Исследования деформационной способности синих глин показали, наличие масштабного эффекта в изменении модуля обшей деформации этих пород. Полученная эмпирическая зависимость имеет следующий вид:

Е<|= Ео'"*"1 ехр [а(р-4.9], (2)

где Е-""" -.максимальное значение модуля общей деформации в исследуемом кнтероале размеров образцов (при F=20.Q см1); остальные обозначения, что и в формуле О )• Для зон глубиной 10-20 метров - Ео1П;'\=25.0МПа, ГЛубИной до 10 метров - Еогам=19.3МПа, а а=0,38.

При анализе аварийных ситуаций жилых домов в г. Пушкине, используя величины реальных осадок основания сооружений в пределах линейной зависимости между развитием деформаций п давлением, и методом обратных расчетов с использованием формул Шлейхера-Полышша , были получены модули общей деформации сшшх глин in situ:

Абсолютная осадка S, см 6.0 15.0 23 О

Модуль общем деформации Ео, МПа 15 0 60 4.0

Приведенные выше результаты расчета модуля обшей деформации иы-иолнеиы в пределах контуров одного здаипл и свидетельствуют о значительном варьировании модуля общей деформации, определяющего высокую степень неравномерности развипт относительных оепдок.

Следует отметить, что минимальные значения модуля обшей деформации, рассчитанные по приведенной эмпирической формуле (2), близки ¡ю величине к модулям, определенным с помощью обратных расчетов.

Исследования влияния структурных связей на г'рочцость и характер деформирования синих глии показал, что наибольшая степень измеьенпостн структурных связей отмечается' в верхней зоне этих глии глубиной до 10 метров

(Ь«« --115-476), где т„ич и т„,„— пиковое и остаточное значения прочности.

С глубиной прочность структурных связен возрастает (для глубины 10-20 метров- -и» = ¡.82-253).

Гщ1Я

Кроме того, испытания синих глин нарушенного сложения при влажности и плотности, равных этим показателям в естественных условиях, показали отсутствие пиковой прочности ( Г,711Х«Х.....,).

В зонах тектонических нарушемнн отмечается резкое снижение показателей прочности и деформационной способности но сравнению с аналогичными породами вне этих зон (табл. 2).

ЗСак следует из данных, приведенных в табл. 2, синие глины в зонах тектонических разломов имеюг более высокую влажность и меньшую плотность. Кроме того, отмечается значительное снижение их показателей прочности г-2 - 2.5 раза и деформационной способности — практически на порядок. Соответственно, при инженерно-геологической оценке синих глии необходимо оценивать структурно-тектоническое положение участка работ.

3. Слипе слины зоны регрессивного литогенеза обладают повышенной способностью к негативной трансформации под «оздсйстпнсм изменении их физико-химических и биохимических у слопай.

Интенсивное развитие трещииоватостн в толще синих глнн предопределило возможность проникновения различных растворов и стоков на большую глубину при утечках из водопроводных и канализационных систем, коллекторов либо предприятий с "мокрым" технологическим режимом. При взаимодействии растворов, заполняющих трещины, с глинистым блоком могут происходить его физико-химические и химические преобразования.

Синие глины в зависимости от сохранности жестких структурных связей при взаимодействии с водой чмеюг различные величины относительного набухания и давления набухания. Величина давления набухания может достигать 0.35 МШ.

Пр:: взанмодейстш с кислыми и щелочными растворами резко ипгенсп-фнцнруотс:: процесс набухания синих тлнн, ко юр we переходит, как правило, в категорию снлг.нопабухйгоилп:, реже средненпоухяющ!ix. Причем отмечасгся сяеду:с«глч закономерное is>: с ростом концентраций как щелочим», так и кисли:; jv>cv.-,opo& у&емичивавчея величина, давление, кшшость и время набуха-нг.я y.wi глинистых пород (табл. 3).

Шдебное изменение можно объяснить химическими преобразованиями синих п:г.н, при которых возникнет цементоподобпые минералы (воздеПппне щелочей) н солн тех кнелот, которые вза!»«»действуют с породой. При этом об-р;:".ог,:;:'!!е как первых. так вторых компонентов происходит в форме кристаллогидратов, евлзываюшнх большое количество воды и занимающие значительно боль.'.::!;!! обьем. чем первоначальные минералы породи. В ходе химических преобразований возникают »нсокке кристаллизационные дзчлеиия, которые способствуют росту общей величины давления набухания.

При исследовании изменения сопротивления сдвигу синих глин под возденет ¡ем кислых п щелочных растворов отмечается незначительное его уменьшение за счет снижения величины сцепления по сравнению с глинами, набухавшими и г,оде. Исключение составляет случай взаимодействия синих глин с рас торами Са (ОН).-, когда наблюдается увеличение угла внутреннего 'фенил за счет активно протекающего процесса формирования цементирующих соединений (см.табл. 3).

3 условиях естественного залегания синих глин при взаимодействии их с кислыми н щелочными растворами за счет развития высокого кристаллизационного давления возможно щпепсиииос образование макро- и мпкротрещин, и, соответственно, снижение прочности синих глин. В итоге, конечная прочность лих отложении будет определяться тем, какой процесс прев;шнрует при взаимодействии этой глинистой породы с различными растворами: увеличения прочности за счет цементирующего действия новообразовании или ее снижения при трешннообразовании. Как показали проведенные исследования, при взаимодействии с растворами Са (ОН)2 процесс цементации преобладает над процессом треншнообразования, поэтому прочность синих глин возрастает. В остальных случаях, наоборот, трещинообразованне протекает более интенсивно, чем цементация, и прочность снижается.

Необходимо отметить, что'проникновение а толщу синих глин кислых растворов является очень опасным процессом в силу того, что эти глины содержат большое количество пирита и возможно его окисление с образованней гипса или других сульфатов. При этом также возникают значительные кристаллизационные давления, вызывающие дополнительное трещинообразованне и, соответственно, снижение параметров прочности и деформационной способности синих глин. Кроме того, глины переходят в разряд засоленных.

Таблица 2.

Изменения физических и механических свойств синих глин па глубине в зависимости от их структурно-тектонического положения.

Зона Глубина от поверхности, м Физические свойства Прочность по данным трехосных и одноосешч нет станин Модуль ' общей деформации, МПг

Влажность,% Плотность, г/см3 Пределы пластич ности Число пластичности I,- Показатель консистенции к Сцепление, МПа Угол внутреннего трения, град

\\'Р, %

Вне тектонического нарушения 0,0-2,0 21,4-24,0 1,96-2,05 44,8-45,1 18,1-18,5 26,6-26,7 0,12-0,22 0,0350,050 0 15,0-20,0

3,0-8,0 20,0-23,0 2,08-2,19 48,5-49,0 20,7-21,3 27,7-27,8 0,030,025 0,0750,117 0-2 19,0-24,0

8,0-17,0 16,0-21,0 2,10-2,22 45,6—16,1 19,5-20,6 25,5-26,1 0,06-0,13 0,22-0,34 6-8 20,0-25,0

В зоне тектонического ' . нарушения 0-3,0 22,8-30,0 (до 37,0) 1,97-2,06 38,2-44,0 21,4-23,5 16,6-20,6 0,06-0,03 0,0340,073 0 1,5-2,2

3,0-5,0 20,7-26,5 1,98-2,11 40,3-47,2 20,3-23,9 19,9-26,6 0,0050,15 0,0270,039 0-4 3,0 -6,6

5,0-8,0 20,5-24,7 2,00-2,10 39,1-42,1 21,2-23,1 17,9-19,0 -0,02-0,1 0,15-0,39 0-6 6.2-10,5

Таблица 3.*

Влияние растворов щелочен и кпелот на физическое состояние и прочность сгашх глин.

Состал раствора рН среды Величина свободного набухания 5а, % *) Влажность на- бухакпя 'Л'н, % *) Давление набухания о,. Мпа **) Параггпры прочности **)

Сцепление С, МПа У1 ол внутреннего трения о, град

Дистиллированная вода 7,0 1,0-8,0 30,1 - 37,5 0,10 0,12 0

Са(ОН)2 9,0 4,0- 6,0 35,4-43.7 0,11 0,13 13

11,0 7,0- 12.5 37,5 - 46,2 0,18 J 0,13 14

13,0 24,0 - 36,0 40.5 - 50.0 0,14 0,14 14

N3011 9,0 . 20,5-30,5 43,0- 53,0 0.13 0,12 0-3

11,0 32,0 - 40,0 47,4-58,5 0,16 0,12 0 - 3 •

13,0 47,0-54,0 60,0 - 68,0 0,19 0,19 0-3

НС1 2,0 0,6 - 4,8 30,2 -37,5 0,20 0,14 0

4,0 1,0-8.0 31,2-38.0 0.135 0,15 0

6,0 1.5- 12,0 • 33,0-44.0 0,125 0,14 0

СНзСООН 3,0 2,5 - 20,0 42,0 -45.0 0,19 0,15 0-4

5,0 1,7-13,6 38,2-42,8 0,125 0,19 0-3

Примечание; *) Приведены минимальные и максимальные значения показателей.

**) Приведены средние значения показателен из шести определении

Влияние изменения биохимических условий оценивалось в процессе воздействия коммуналыю-бытоиых стоков на синие глины. При этом отмечалось, что процесс набухания этих глин в коммунально-бытовых стоках резко активизировался*(табл .4).

Таблица 4.

Показатели набухания синих глин в канализационных стоках

Величина свобод- Влажность Давление набуха-

Естествен- ного набухания набухании,0/» ния, МПа

ная влаж- (%) и время набу-

ность, % хания (сут.)

в Г) в

воде стоках воде стоках воде стоках

24 18/3 24/32'' 38 • 43 0.08 0.27

•23 6.4/4 13.5/8 34 36 " - -

20 7.9/3 13.2/26 32 37 0.19 0.37

16 . 18.5/6 24/41 • 37 43. ,0.35 >0.5

Примечание. Приведены средние значения показателей из шести определений *) В числителе - величина набухания, в знаменателе - время набухания.

Подобные изменения вызваны: 1) диспергирующим влиянием иона N11/; 2) изменением структуры ьоды в растворах, содержащих Nil/; 3) ростом биомассы микроорганизмов и продуктов их метаболизма, который определяется по косвенному показателю - величине суммарного белка СБ (Нижарадзе Т.Н. и др., 1988).

Для синих глин в естественных условиях величина СБ имеет значения 6-10 мкг/г; при их набухании в лабораторных условиях под воздействием коммунально-бытовых стоков СБ возрастает на порядок, а на реальных объектах достигает 170 мкг/г. Активизация микробиологической деятельности оказывает негативное воздействие па снижение прочности и деформационно!) способности этих глин. Так, пластическая прочность после длительного действия сточных вод мо..;ет снижаться практически на порядок.

4. Синие нижнскембрийские глины предглинтовон зоны Санкт-Петербургского региона следует рассматривать как трсщннонато-блочпую среду» модель которой должна служить основой для проведения шшенерно-гео логических исследований, анализа и количественной оценки этих пород в процессе проектирования, строительства -и эксплуатации сооружении различного назначения.

В зависимости от особенностей инженерно-геологнчеекого разреза в предглинтовом районе Санкт-Петербурга необходимо рассматривать три модели основания, в которых ирисутствуют'синие глины.

16

Первая инженерно-геологическая модель рассматривается, если мощность перекрывающих синие глины четпертичных отложении меньше глубины заложения фундамента, и активная зона сооружения полносшо располагается в рассматриваемых глинах.

В этом случае параметры прочности должны определяться п зависимости от интенсивности трещиноватостн с помощью производства специальных полевых экспериментов, либо проведения лабораторных экспериментов по масштабному эффекту для установления критерия киазисплошностк и квазнодиородпости. Учитывая, что п верхней зоне разреза угол внутреннего трения синих глин <р < 5-7 град, эту толщу можно рассматривать как квазипластичную среду, и соответственно, рассчитывать первое (Р,) и второе (Рз) критические давления на основание но формулам Л. Прандтля:

= Пс + Р2 = (Я + 2 )с+ г1'Ф;

где с - сцепление пород основания; у - плотность пород выше отметки заложения фундамента; Ьф - глубина заложения фундамента.

При это?.! характер трещиноватостн сказывается на асимметричности распределения напряжений в зоне основания, вследствие чего глубина активной зоны варьирует, вызывая значительную неравномерность осадок сооружения.

Кроме того, интенсивность трещиноватостн определяет деформационную способность синих глин, что также влияет па относительную неравномерность осадок пород основания и по многих случаях требует пересмотра проектных решений.

При проектировании промышленных объектов с "мокрым" технологическим режимом должно быть гарантировано отсутствие попадания различных растворов в толщу синих глин, поскольку взаимодействие последних с породами может привести к значительным деформациям подъема пород основания ъ результате их набухания и последующему разрушению конструкций.

Вторая инженерно-геологическая модель может быть рассмотрена при условии, что мощность четвертичных отложении больше глубины заложения фундамента. В этом случае величина активной зоны основания сооружения и выбор несущего слоя будут зависеть от нескольких фл:аороп: !) мощности четвертичных отложений, перекрывающих синие глины; 2) параметров прочности четгертичных пород; 3) соотношения модулей общей деформации четвертичных отложений и синих глин.

Третья инженерно-геологическая модель имеет место, когда мощность четвертичных отложений больше глубины активной зоны основания сооружения при условии использования фундаментов неглубокого заложения. В этом варианте, если для четвертичных отложений не выполняются условия -¡К или Зрщ^Бир - дзачение от сооружения, И - расчетное сопротивление: н 8„Р - соответственно осадка расчетная и предельная), то встает вопрос о переходе от фундаментов неглубокого заложения к свайным или другим фундаментам глубокого заложения, где опорным слоем должна служить толща синих глин.

При этом возникает проблема правильной инженерно-геологической оценки и выбора слоя синих глин » качестве опорного в силу зонального строения этой толщи по глубине разреза.

При инженерно-геологических исследованиях синих глин как в полевых, так .и лабораторных условиях, необходимо учитывать их трещиноватость при определении показателей прочности и деформационной способности, а также фильтрационных параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Ннжнекембрийские синие глины имеют зональное строение, характеризующееся изменением интенсивности трещиноватостн плотное:';;, влажности, прочности и деформационной способности. Такая закономерность построения толщи этих глин определяется особенностями их эпигенетических преобразований в процессе прогрессивного и регрессивного литогенеза -'сменой тектонических режимов и стадий оледенения.

2. В толще синих глин выделяются семь слоев по глубине разреза, каждый из которых характеризуется определенным варьированием показателей фи-знко-механических свойств, В пределах каждого слоя эти глины можно рассма.ривать как квазиоднородную среду. В верхних четырех слоях наблюдается закономерное увеличение показателей прочности и деформационной способности синих глин с глубиной, что связано со снижением их влажности и интенсивности трещиноватости, а также ростом прочности структурных связей в отдельных блоках породы. Нижние три зоны являются областью кеззнйосто-янной влажности-плотности, в которой прочность и деформационная способность определяется только их трещиноватостыо.

3. Влияние трещиноватости на прочность и деформационную способность нижнекембрийских глин выражается в проявлении масштабного эффекта. Особенно в верхней наиболее разуплотненной части разреза. Исследования по изучению масштабного эффекта в синих глинах показали, что при площади образца близкой к 100 см2 и соотношении его высоты ( Ь ) к диаметру () как 2:1, параметры прочности близки к этим же характеристикам, полученным методом обратных расчетов для аварийных сооружений.

4. Физико-мехаиические свойства рассматриваемых глин зависят от структурно-тектонического положения локального участка исследования. В зонах тектонических разломов отмечается резкое снижение показателен механически свойств синих глин: прочности - в 2.5-5.0 раз, модуля общей деформации - на порядок по сравнению с аналогичными параметрами тех же глин вне зон нарушений. • .

5. При взаимодействии синих глин с растворами кислот и щелочей (при рН < 5 и рН г 10) наблюдается интенсификация процессов-набухания за

счет образования новых соединений и развития кристаллизационного давления, которое приводят к формированию дополнительной микро- и макротрещннопа-тости и, как следствие, к снижению прочности пород по сравнению с исходной.

6. Инфильтрация биохимически акпнзных стокоч в тодшу синих глин значительно активизирует процесс их набухания: возрастает величина, влажность, дазленис набухания, а также длительность протекания этого процесса по сравнению с этими показателями при взаимодействии глин с содой. При этом отмечается сун'.-.'спгенное падение параметров прочности и деформационной способности синих глин. Одновременно наблюдается увеличение содержания биомассы и продуктов их метаболизма.

7. При оценке толщи с,"них. глин как основания различных сооружений, в зависимости от особенностей инженерно-геологического разреза и нредглинго-ной зоне Санкт-Петербургского региона выделяются три модели основания синих глин, которые определяют выбор расчетной схемы, устойчивости, тип фундамента и конструктивные особенности сооружения.

При инженерно-геологических исследованиях синих глин необходимо применить методы и методики, учитывающие трещиноватссть этих глин и ее влияние на показатели прочности, деформационной способности и водопроницаемости, а также высокую степень уязвимости рассматриваемых пород при воздействии промышленных и канализационных стоков.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. The peculiarities of geoteclmical assesraent of lower Cambrian clays' in the North-Western pait of Russian platform Geotechnics'95, Baikema, 1995. P.51-53. (Соавтор Р.Э.Дашко).

2. Инженерно-геологический анализ синих глин Санкт-Петербургского региона в зависимости от их структурно-тектонического положения// Тез.докл. научной конференции студентов и молодых ученых СПбГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова "Полезные ископаемые России и их освоение". Санкт-Петербург, 1996. C.1S.

3. Оценка устойчивости нижнекембрийских синих глин при воздействии коммунально-бытовых стоков (Санкт-Петербургский регион)// Сб. трудов молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (техн. университета) им. Г.В. Плеханова. Санкт-Петербург, 1996. С. 10-14.

4. Влияние структурно-тектонических условий в предглшгговой зоне на состояние и свойства нижнекембрийских синих глин (Санкт-Петербургский регион)// Сб. трудов молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (техн. университета) им Г.В. Плеханова. План 1997 г.