CC BY
121
УДК 624.131
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕССОВЫХ ПОРОД ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
Л.А. Строкова
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Приводятся новые материалы по составу и физико-механическим свойствам покровных отложений Томской области. Проведена статистическая обработка данных. Для каждого вида грунта получены корреляционные зависимости модуля общей деформации, прочностных характеристик от гранулометрического состава, коэффициента пористости, влажности и др. Приводятся предложения по составлению региональной таблицы нормативных и расчетных показателей механических характеристик пород.
В Томской области широко распространены рыхлые породы, представленные преимущественно пылеватыми суглинками, иногда с признаками облессования в верхней части разреза. В литературе эти породы называют покровные суглинки, элювиально-делювиальные отложения и т.д. Они характеризуются комплексом признаков, а именно: залегают с поверхности и плащеобразно покрывают другие генетические типы рыхлых горных пород любого состава и возраста и на различных геоморфологических элементах.
Для объяснения генезиса покровных отложений существуют десятки теорий и гипотез, зачастую противоречивых. Одни исследователи связывают их с водной средой, другие - рассматривают их как субаэральные образования, третьи - как образования при ведущей роли процессов криогенеза в слое сезонного промерзания и оттаивания.
Инженеры-геологи основным признаком лессовых пород считают их просадочность. В.Т. Трофимовым систематизированы существующие механизмы формирования просадочности лессовых пород, реализация которых приводит к появлению этого специфического свойства [1].
В то же время немало исследователей лессов склонялись к тому, что специфические свойства и облик этих пород обязаны минеральному составу. Удивительное сходство минерального и химического составов одинаковых гранулометрических фракций лессов из разных регионов отмечал С.С. Морозов [2]. В.П. Ананьев и В.И. Коробкин, изучавшие лессы юго-западной части ВосточноЕвропейской платформы, пришли к выводу, что за специфичность свойств лессов отвечает их минеральный состав [3]. Из более 50 минералов, идентифицированных в лессах, ими выделены наиболее значимые: кварц, полевые шпаты, глинистые минералы, карбонаты, реже амфиболы.
Инженерно-геологическая характеристика покровных отложений г. Томска и прилегающих районов дана Г. А. Сулакшиной в 1962 г. [4]. В ее работе обобщены все имеющиеся на тот период сведения о покровных отложениях Томской области. В этой работе она рассмотрела литологические особенности пород, гранулометрический и минералогический состав, физико-механические свой-
ства пород. Покровные отложения Томской области представлены суглинками, супесями, глинами, реже песками. Преобладающий цвет этих пород является бурый. По минеральному составу покровные отложения не отличаются от подстилающих отложений. В них также много эпидота 38 %, роговой обманки 21 %, рудных минералов 23 %. Такие минералы как лейкоксен, циркон, гранат, апатит, пироксен составляют 3...4 %. В легкой фракции преобладает кварц 70 %, полевые шпаты 28 %, карбонаты до 6 %. Мощность этих отложений 0,8.6 м.
Для оценки покровных отложений нами проведены следующие виды работ: изучение состава легкорастворимых солей путем анализа водных вытяжек пород; определение емкости поглощения и состава обменных катионов; обобщение литературного и фондового материала с составлением сводной таблицы показателей состава и физико-механических свойств покровных отложений. Схема расположения инженерно-геологических скважин и линии разрезов, по которым изучались грунтовые толщи, приводится на рис. 1.
Исследование состава пород включало изучение гранулометрического состава грунтов, содержания в них карбонатов, водорастворимых солей и органического вещества.
По гранулометрическому составу отложения представлены преимущественно суглинками, глинами, супесями, пылеватыми песками, которые залегают прослоями и линзами. Содержание песчаных фракций незначительное, преобладает пыле-ватая фракция: в песках 2.66 %, в супесях 40.80 %, в суглинках 14.88 %, в глинах 57.69 % (рис. 2). Породы имеют наибольшую карбонат-ность по сравнению с другими стратиграфо-гене-тическими комплексами. Содержание СаСО3 составляет 5.7 %, карбонаты встречаются как в рассеянном виде, так и в форме стяжений [5]. Верхняя часть разреза покровных отложений часто имеет признаки облессованности, выражающиеся в характерной палевой окраске, столбчатой отдельности, макропористости. Облессованность своим существованием обязана многократно повторяющемуся промерзанию-оттаиванию, высыханию и увлажнению, морозобойному растрескиванию и почвообразовательным процессам. Высокое содержание пылеватых фракций, характерное для грануло-
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121
V VI
Рис. 1. Схема расположения инженерно-геологических, скважин: 1) номера скважин, пробуренных, партиями: 131.0 — Кожевни-ковской (А.В. Кривенцов и др., 1992); 161.1 — Южной (А.М. Альшанский и др., 1993); 25.2 — Рыбаловской (В.А. Короб-кин и др., 1987); 63.3 — Нелюбинской (В.Л. Карлсон и др., 1975); 46.4 — Киреевской (В. А. Сильвестров и др., 1962); 2) линии инженерно-геологических, разрезов (¡...VI)
метрического состава данных грунтов, объясняется интенсивной физической дезинтеграцией минерального вещества в условиях сурового климата, а также процессами коагуляции коллоидной части.
В связи с условиями формирования и залегания показатели физических свойств пород изменяются в значительных пределах (особенно в интервале 0...2 м). Основные статистические характеристики состава и свойств покровных суглинков приведены в табл. 1.
Преобладают разновидности по консистенции -твердые, полутвердые, тугопластичные. Набухае-мость определялась на образцах естественного сложения. Грунты ненабухающие, но встречаются и сильнонабухающие (скв. 133, глубина 1,5 м), средние значения относительного набухания 0,2.1,2 %.
Породы быстро размокают в воде (в течение 2.120 мин), редко - встречаются неразмокающие. Слабая водостойкость покровных отложений - причина широкого развития эрозионных процессов.
Механические свойства грунтов являются наиболее важными параметрами их инженерно-геологической оценки. Изучение основных механических показателей включало определение модуля общей деформации (£0), коэффициентов сжимаемости (а) и относительной просадочности (е„1), сцепления и угла внутреннего трения (ф). Грунты большей частью непросадочные, при дополнительных давлениях (по данным ТомскТИСИЗа) могут быть просадочными (коэффициент относительной про-садочности е8; - 0,01.0,05, начальное просадочное давление составляет 0,15.0,2 МПа).
Таблица 1. Основные характеристики гранулометрического состава и физических свойств суглинков
Показатели Ед. изм. Количество определений Среднее М1п Мах
Содержание частиц 0,05^0,005 мм % 178 65,03 14,0 88,0
Содержание частиц <0,005 мм % 178 19,51 6,00 34,0
Влажность, Wсa % 174 24,35 9,00 39,0
Предел текучести, WL % 177 34,11 17,0 47,0
Предел пластичности, Wp % 177 21,17 12,0 30,0
Показатель консистенции, ( доли ед. 174 0,35 0,0 1,60
Плотность, р г/см3 162 1,89 1,23 2,08
Плотность сухого грунта, рг] г/см3 162 1,51 1,13 1,98
Плотность частиц грунта, р5 г/см3 166 2,69 2,53 2,83
Пористость, п % 161 43,8 34,0 61,0
Коэффициент пористости, е доли ед. 162 0,78 0,38 1,17
Степень влажности, 5г доли ед. 162 0,83 0,17 1,14
□ МЕЛпп-ПШЕ I 125*-75%
= СП.СП25 □.□аП5)
Мп-Уик = [□, П.Э2)
□ МбсАЯП I I 25%-75% - Мп-Мях
Величина нвВухвнип
Рис. 2. ДиаграммыI характеристик процентного содержания карбоната кальция (а), процентного содержания песчаной, пыле-ватой и глинистой фракций (б), относительного набухания без нагрузки (в), коэффициента пористости, степени водо-насыщения (г)
Таблица 2. Корреляционная матрица показателей механических и физических свойств грунтов, гранулометрического состава, при доверительной вероятности 0,95
Показатели гранулометрического состава и физических свойств Показатели механических свойств
ЕЕ а а а Ф, град Сцепление
при Р=1 кг/см2 при Р=2 кг/см2 при Р=3 кг/см2
Процентное содержание фракции >0,05 мм -0,28 0,22 -0,40 0,40 0,42 -0,28 0,24 -0,40
0,05...0,005 мм -0,26 -0,08 -0,02 0,03 -0,06 -0,13 0,09 -0,21
< 0,005 мм 0,50 -0,13 0,40 -0,41 -0,29 0,36 -0,32 0,56
Плотность 0,26 -0,05 0,23 -0,22 -0,78 0,64 0,03 0,57
Плотность частиц -0,83 0,78 -0,79 0,98 0,00 -0,17 0,56 -0,69
Влажность естественная -0,64 0,67 -0,62 0,47 0,13 -0,75 -0,33 -0,89
на пределе текучести 0,50 -0,25 0,36 -0,53 0,29 -0,53 -0,95 0,01
на пределе раскатывания -0,07 0,27 -0,24 -0,04 0,18 -0,68 -0,7 -0,49
Коэффициент пористости -0,59 0,45 -0,55 0,55 0,60 -0,76 -0,02 -0,87
Показатель консистенции -0,88 0,74 -0,74 0,76 -0,16 -0,28 0,32 -0,76
Полужирным шрифтом выделены значимые коэффициенты корреляции
Сопротивление пород сдвигу характеризуется углом внутреннего трения и сцепления. Эти показатели были получены при стандартных сдвиговых испытаниях грунтов. Средние значения углов внутреннего трения изменяются от 16 до 27°, сцепление от 9 до 96 кПа. Значения этих показателей имеют тесную корреляционную связь с пределами пластичности и коэффициентом пористости и плотностью грунтов. Сжимаемость пород исследовалась по данным компрессионных испытаний в интервале нагрузок Р=1...3 кг/см2. Грунты преимущественно среднесжимаемые. Для каждого вида грунта находились уравнения регрессии зависимости модуля общей деформации, угла внутреннего трения, удельного сцепления от коэффициента пористости, влажности. Наблюдается корреляция между показателями сжимаемости и значениями влажности, консистенции, плотности частиц грунта (табл. 2).
Приведенные исследования состава и свойств покровных отложений позволяют составить таблицу нормативных и расчетных характеристик лессовых пород, имеющих широкое распространение на территории Томской области. Табличные значения нормативных и расчетных показателей механических характеристик пород могут быть использованы для предварительных, а также окончательных расчетов оснований зданий и сооружений II и III классов ответственности.
Можно констатировать, что покровные лессовые отложения являются менее надежными основаниями по сравнению с подстилающими породами, обладают наибольшей деформируемостью и, поэтому, им следует уделять особое внимание при проектировании строительных объектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трофимов В.Т. О механизмах формирования просадочности лессовых пород // Геоэкология. —2001. —№ 2. —С. 141—148.
2. Сергеев Е.М. Инженерная геология. — М.: Изд-во МГУ, 1978. — 384 с.
3. Ананьев В.П., Коробкин В.И. Минералы лессовых пород. — Ростов н/Д.: Изд-во Ростовского ун-та, 1980. —200 с.
4. Сулакшина Г.А. Режим влажности и его влияние на физико-технические свойства лессовых пород района г. Томска // Известия вузов. Геология и разведка. —1962. —№ 10. —С. 47—53.
5. Емельянова Т.Я., Строкова Л.А. Характеристика химического состава и свойств грунтов юго-запада Томской области с целью прогноза состояния геологической среды при интенсивном ее освоении / Проблемы нефтегазовой гидрогеологии и инженерной геологии Западной Сибири: Межвузовский сб. научных трудов. —Тюмень: ТГНГУ, 1994. — С. 76—81.
