Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет

На правах рукописи

Чарыкова Светлана Анатольевна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА И

СВОЙСТВ НЕЗАСОЛЕННЫХ САРМАТСКИХ ГЛИН

ПРИ ДИФФУЗИОННОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ

25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель - доктор геолого минералогических наук, доцент Олянский Юрий Иванович Волгоград -

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

1.ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ

САРМАТСКИХ ГЛИН

2.ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ МЕЖДУРЕЧЬЯ ПРУТ –

ДНЕСТР И СВОЙСТВА САРМАТСКИХ ГЛИН

3.ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ НЕЗАСОЛЕННЫХ

САРМАТСКИХ ГЛИН ПРИ ДИФФУЗИОННОМ

ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ

3.1. Методика исследований 3.2. Состав и свойства опытных образцов 3.3. Изменение состава и свойств при выщелачивании

4.СОСТАВ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ ТИПОВ ЗАСОЛЕННЫХ

ГЛИНИСТЫХ ПОРОД И ИХ ИЗМЕНЕНИЕ ПРИ ДИФФУЗИОННОМ

ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ

4.1. Вещественный состав и свойства глинистых пород 4.1.1. Сарматские глины Центрального Предкавказья 4.1.2. Майкопские глины Северного Прикаспия 4.1.3. Глины верхнего и нижнего неогена Центрального Предкавказья 4.1.4. Сыртовые глины Заволжья 4.1.5. Четвертичные глины Центрального Предкавказья включая софиевский горизонт 4.1.6. Хвалынские глины Северного Прикаспия 4.1.7. Четвертичные глины Центрального Предкавказья, перекрывающие майкопские отложения 4.2. Изменение состава и свойств пород при выщелачивании

5.ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ И

ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ НЕЗАСОЛЕННЫХ И ЗАСОЛЕННЫХ

ГЛИНИСТЫХ ПОРОД И ПРОГНОЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ

ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ГЛИН

5.1. Особенности выщелачивания и изменения свойств незасоленных и засоленных глинистых пород 5.2. Прогноз показателей прочности выщелоченных сарматских глин ВЫВОДЫ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЯ Табл. 1 Изменение химического состава фильтрата в процессе выщелачивания образцов глин Рис. 1 - 30 Химический состав фильтрата при выщелачивании образцов сарматских глин Акт о внедрении результатов исследования

ВВЕДЕНИЕ

Сарматские глины распространены в южной части Восточно Европейской платформы и на прилегающих к ней более молодых геологических структурах и являются основанием для инженерных сооружений в Молдове, Украине, РФ. Являясь структурно - неустойчивыми грунтами, сарматские глины при увеличении влажности изменяют свои строительные свойства вследствие диффузионного выщелачивания содержащихся в них солей, увлажнения и разуплотнения. Морские глины a priori считаются засоленными грунтами, так как накапливались в условиях повышенной солености морской воды. Изучением процессов выщелачивания и изменения инженерно - геологических свойств засоленных глин в нашей стране занимались различные исследователи в 60 - х – 90 - х годах прошлого столетия.

Благодаря их работам было установлено, что при взаимодействии с пресной водой засоленные глины выщелачиваются, из них выносятся растворимые соли и происходят глубокие преобразования в ионно - солевом комплексе, сопровождаемые изменением прочностных свойств глин.

Идея работы заключается в том, что в ней на примере незасоленных сарматских глин уточняются и углубляются теоретические положения формирования состава и свойств морских глинистых пород и их изменение при выщелачивании на основе раскрытия и установления роли физико - химических процессов в системе поровая вода - порода, разработке которых посвящены исследования В.А. Приклонского, И.В. Попова, Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Д. Ломтадзе, а так же: И.Г. Коробановой, И.М. Горьковой, Н.П. Затенацкой, Р.С. Зиангирова и др.

Однако, сарматские глины накапливались в условиях замкнутого морского бассейна при различной солености морской воды в его восточной и западной частях. На востоке образовались типично засоленные морские глины, а на западе в условиях пониженной солености морской воды накапливались морские не засоленные глины, содержащие менее 0,3 % водорастворимых солей.

Актуальность настоящих исследований заключается в том, что в условиях диффузионного выщелачивания изучались незасоленные морские сарматские глины, являющиеся основанием инженерных сооружений в Северном Причерноморье.

Промышленно - хозяйственные освоения территорий, сложенных сарматскими глинами влечет за собой нарушение баланса компонентов природной среды и как следствие, происходит подтопление, сопровождаемое набуханием грунтов в основаниях сооружений, изменением их прочности и сжимаемости. В связи с вышеизложенным, целью работы является изучение основных закономерностей формирования состава и свойств незасоленных сарматских глин при диффузионном выщелачивании на основе анализа экспериментальных данных и опубликованных результатов исследований глин иной степени засоления. Для достижения указанной цели определены следующие задачи:

1. Дать общую характеристику условиям залегания, составу и свойствам сарматских глин междуречья Прут - Днестр.

2. Изучить вещественный состав и физико - механические свойства опытных образцов незасоленных сарматских глин и их изменение при диффузионном выщелачивании.

По опубликованным данным проанализировать особенности выщелачивания и изменения состава и свойств, засоленных глинистых пород различного возраста и происхождения.

4. Проанализировать особенности выщелачивания и изменения состава и свойств незасоленных и засоленных глинистых пород.

5. Откорректировать существующую методику прогноза показателей прочности незасоленных сарматских глин с учетом наличия или отсутствия в их составе пирита.

Исходные материалы. При выполнении диссертационной работы использованы результаты лабораторных исследований незасоленных глинистых пород, выполненные в различные годы в Институте геофизики и геологии АН Молдовы и Северо - Кавказском филиале ПНИИИСа (г.

Ставрополь) при производстве инженерно - геологических изысканий на различных объектах и специальных работ по научно - исследовательской тематике. Кроме этого, использован обширный опубликованный материал, и в том числе результаты исследований по проблеме выщелачивания засоленных глинистых пород, выполненных в ПНИИИСе (г. Москва) и в СКФ ПНИИИСа (г. Ставрополь) в предыдущие годы.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1.Собран и проанализирован значительный объем опубликованной информации по условиям залегания, составу и физико - механическим свойствам сарматских глин на территории междуречья Прут - Днестр.

2.Обработаны результаты химических анализов фильтрата воды и выявлены закономерности изменения его состава для различных образцов глин.

3.На основе анализа собственных данных и опубликованных результатов исследований, выявлены основные закономерности изменения состава и свойств незасоленных и засоленных глинистых пород при выщелачивании.

4.По собственным эмпирическим данным рассчитаны оценки вероятностей прогнозного фактора «наличие в образцах пирита», для использования их при расчетах суммарных вероятностей наступления события по формуле Байеса.

5.Расчитаны коэффициенты устойчивости к обводнению незасоленных сарматских глин и установлена их корреляционная зависимость от различных показателей состава и свойств, для обоснования метода прогноза их прочности с учетом фактора наличия пирита.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

незасоленные морские глины в условиях их диффузионного выщелачивания, получены качественные и количественные оценки показателей степени изменения их состава и свойств.

2. Установлена определяющая роль пирита в характере химических процессов, протекающих в незасоленных глинах и в количественном изменении показателей их состава и свойств при диффузионном выщелачивании.

3. Выявлены основные различия в изменении состава и свойств незасоленных засоленных выщелачивании.

4. Предложена методика прогноза показателей прочности незасоленных сарматских глин с учетом наличия или отсутствия в их составе пирита.

Практическое значение работы состоит в том, что уточненная и дополненная методика прогноза показателей прочности незасоленных сарматских глин, подвергающихся длительному воздействию воды, может найти свое применение в практике инженерно - геологических изысканий для проектирования оснований зданий и сооружений на техногенно подтопляемых территориях и при расчетах устойчивости зданий и сооружений на крутосклонах и откосах. Результаты исследований так же дают возможность определять методологический подход при лабораторных исследованиях в инженерно - геологических целях глинистых пород иного возраста и происхождения.

Публикация и апробация работы. Основные положения диссертации опубликованы в 25 научных работах, в том, числе: 6 - в изданиях рекомендованных ВАК и 1 - монография. Апробация работы осуществлена на 14 научных форумах. Материалы исследований обсуждались: На Всероссийской конференции «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования» Новочеркасск, 26 - 28 октября 2011; на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии 14, 15 и 16 Сергеевские чтения, Москва, 22 марта 2012; 21 - 22 марта 2013; 21 - 22 марта 2014; на IV Международной научно - технической конференции, Волгоград, 13 - 14 октября 2011; на Международной научно - практической конференции «Научный потенциал молодых ученых для инновационного развития строительного комплекса нижнего Поволжья», Волгоград, 24 декабря 2010; на Международной научно практической конференции, Сочи, 14 - 19 мая 2012; на Международной научно - практической конференции «Современные проблемы географии, экологии и природопользования», Волгоград, 25 - 26 апреля 2012; на Международном научном форуме студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско Тихоокеанского региона, Владивосток, 14 - 17 мая 2012; на Международной научно - практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе», Пермь, 26 - 28 апреля 2012; на XVI на Международном симпозиуме М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 110 лет со дня рождения профессора, Томск, 2 - 7 апреля 2012;

на международной конференции «Оценка и управление природными рисками», Москва, 18 - 19 октября 2012; на VI Международной научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Волгоград, 15 - 17 мая 2012; на 8 Всеукраинской научно - технической конференции «Механика грунтов, геотехника и фундаментостроение», Полтава, 11 - 14 ноября 2013.

1. ИНЖЕНЕРНО - ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ

САРМАТСКИХ ГЛИН

Изучение сарматских глин междуречья Прут - Днестр неразрывно связано с общегеологическими исследованиями территории, которые начались более 100 лет назад. Первые исследования геологического характера встречаются в работе Д. Кантемира «Описание Молдавии» и приурочены к первой половине XIX века. Несмотря на то, что геологическое описание Молдавии не являлось самоцелью, уже здесь встречаются сведения об основных типах грунтов, распространенных на данной территории: скальных, обломочных, глинистых.

Изучением отдельных вопросов литологии и геологии в середине XIX века занимались: П.П. Свиньин, Р.Р. Мурчисон, Барбот де Марии, И.Ф. Синцов [95, 96] и др. Благодаря исследованиям этих геологов, уже в конце XIX века стало очевидным, что наиболее широким распространением на территории Молдавии пользуются неогеновые глины и лессовые покровные суглинки.

Планомерные исследования региона в конце XIX века и начале XX веков выполнялись экспедициями Геолкома (Г.П. Михайловский, Н.А. Григорович Бердовский, Х.Н. Криштофович), отрядом МГУ под руководством О.К. Ланге, академиком Н.И. Андрусовым. Несмотря на то, что основной целью этих работ являлись общегеологические исследования, вопросам распространения сарматских глин уделялось достаточно много внимания, т.к. в большинстве своем они являлись причиной образования многочисленных оползней на территории Центральной Молдавии и в др. регионах. Наиболее значительной работой этого времени по сарматским глинам считается Карта распространения сарматского моря, составленная Н.И. Андрусовым [1].

В период с 1918 по 1940 годы, вследствие оккупации Бессарабии Королевской Румынией, геологические исследования здесь не проводились, а были сконцентрированы на левобережье Днестра - они выполнялись организациями АН СССР, Одесским, Харьковским университетами, Киевским гидрометериологическим институтом. Основные геологические работы того времени принадлежат Р.Р. Выржиковскому [9], В.Д. Ласкареву [46], В.И.

Крокосу [43], Г.Ф. Лунгерсгаузену [48]. В этих работах были заложены основы стратиграфии неоген - четвертичных пород, используемые до настоящего времени.

Период с 1945 по 1960 годы знаменует собой начало работ по комплексному планомерному изучению природных ресурсов Молдавии.

Создается целый ряд строительных проектных институтов, в которых концентрируется весь объем проектно изыскательских работ для накапливаться большой материал по инженерно - геологическим условиям различных строительных площадок и свойствам грунтов, в т.ч. и сарматских глин. Кроме этого, в это же время выполняется геологическая съемка территории масштаба 1:200000 Четвертым геологическим управлением Комитета по делам геологии при СНХ СССР. Эти геологические работы так же сопровождались изучением инженерно - геологических свойств сарматских глин.

Таким образом, уже к концу 50 - х годов прошлого столетия в проектно изыскательских организациях был накоплен материал об инженерно геологических свойствах основных типов грунтов региона, в т.ч. и сарматских глин. Отдельные проектные институты имели возможность выполнять научные «Молдгидрострой» Е.И. Баухом и Е.Г. Костиком в 1960 г. выполнена работа на тему: «Исследовательские работы по геологии для обоснования строительства в райцентрах МАССР». В дальнейшем, весь накопленный материал по свойствам сарматских глин анализировался и обобщался Институтом геофизики и геологии АН МССР, Кишиневским политехническим институтом и др.

организациями. Стали появляться первые публикации по свойствам сарматских глин, как оснований зданий и сооружений и в связи с образованием в них оползней [41, 75].

В 60 - х годах продолжались работы по выполнению геологической съемки масштаба 1:200000. Научное руководство этими работами было сконцентрировано в Институте геофизики и геологии АН МССР. К этому времени относятся многочисленные публикации различных авторов, посвященные анализу состава и свойств сарматских глин: В.Х. Рошка, А.Н.

Хубка, Е.З. Мицул [85, 86, 87, 88], Г.И. Устинова, С.С. Орлов [74, 75].

объединены в региональный изыскательский институт «Молд ГИИНТИЗ»

(1978 г.), в котором оказался сконцентрированным весь производственный и научный потенциал инженерно - геологических служб. Это позволило выполнять помимо изыскательских работ и научные инженерно геологические исследования. К этому же времени относятся активизация работ по научным исследованиям сарматских глин, как основой образования оползней Молдавии. Этой проблемой занимались С.С. Орлов, Т.А. Тимофеева, Л.Т. Леваднюк и отдельные специалисты из ПНИИИСа, ВСЕГИНГЕО [3, 18, 73, 74, 75, 81, 98, 102].

В 1985 г. при институте Геофизики и геологии АН Молдавии была создана Лаборатория физико - механических свойств горных пород, которую возглавил А.М. Монюшко. Первой же бюджетной темой, которую стала «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».

До сентября 1988 г. научным руководителем темы был А.М. Монюшко, а с сентября 1988 г. до конца темы (декабрь 1990 г.) – Ю.И. Олянский. Были организованы систематические планомерные исследования сарматских глин, их состава и свойств и изменения этих свойств, при длительном воздействии воды. Для выполнения исследований был задействован научный потенциал АН Молдовы и ПНИИИСа (Госстроя СССР). Отдельные эксперименты выполнялись сотрудниками лаборатории, изучение состава глин осуществлялось в грунтоведческой лаборатории СКФ ПНИИИСа, химические анализы грунта и фильтрата выполнялись специальным подразделением АН МССР.

В 1991 г. вышла монография А.М. Монюшко и Ю.И. Олянского «Инженерно - геологические особенности сармат - меотических глин Молдовы» [51] – первое серьезное обобщение всей инженерно - геологической информации о сарматских глинах региона. В этой работе дана характеристика - х регионально – генетических типов неогеновых глин: среднего сармата, верхнего сармата, балтской и кагульской свит. Кроме этого, в работе заложены основы последующего изучения свойств сарматских глин при длительном воздействии воды. Научные результаты лаборатории публиковались так же в различных изданиях в соавторстве: Монюшко А.М., Олянский Ю.И., Богдевич О.П., Вовк В.М. [8, 20, 28, 30, 59, 63]. Существенным вкладом в изучение сарматских глин явилась разработанная Ю.И. Олянским их типизация по устойчивости к обводнению, которая может использоваться для прогнозирования изменения состава и свойств глин при выщелачивании [59].

После завершения бюджетной темы по изучению сарматских глин в период с 1990 по 1995 годы сотрудники лаборатории продолжали исследования сарматских глин в рамках других, в т.ч. и хоздоговорных тем, что способствовало дальнейшему накоплению высококачественного материала по свойствам грунта. Однако в 1995 году лаборатория была перепрофилирована и расформирована, а специалисты - грунтоведы разъехались в другие страны и государства.

Начало следующего этапа в изучении сарматских глин приурочено к началу нового столетия. В это время выходят в свет публикации Ю.И.

Олянского, А.Н. Богомолова, Е.В. Щекочихиной и др., посвященные изучению поведения сарматских глин в условиях диффузионного выщелачивания.

Исследования засоленных глинистых пород различного возраста и генезиса в условиях выщелачивания проводились только в СССР. За рубежом подобных исследований не проводилось. У нас в стране такие исследования выполнялись В.А. Приклонским и др. [84] Н.А. Окниной [57], Н.П. Затенацкой [22, 25, 26], Н.П. Затенацкой и И.А. Сафохиной [21], Н.П. Затенацкой и др. [23, 24], С.И.

Пахомовым и А.М. Монюшко [52, 53, 54]. Проведенными исследованиями установлено, что засоленные глинистые породы активно участвуют в водообмене с контактирующими пресными водами при помощи молекулярных или конвективных диффузий испытывают рассоление, вследствие чего, резко снижается их прочность.

Первые сведения о результатах изучения незасоленных глинистых пород в условиях их диффузионного выщелачивания появились в монографии Н.П.

Затенацкой (1985). Изучив один образец незасоленных сарматских глин из г.

Молдавии….сопровождается дополнительным увлажнением, разупрочнением и разуплотнением, но в гораздо меньшей степени, чем засоленных разностей изученных глин» [22, стр. 139]. Изучение незасоленных глинистых пород в условиях их длительного обводнения выполнялись Ю.И. Олянским, А.М.

сопровождающееся химическими преобразованиями в ионно - солевом комплексе глин, ведет к разуплотнению и разупрочнению грунта. В частности преобразования в грунте, является наличие пирита [7]. Однако, механизм таких преобразований был изучен не в полной мере [64, 79].

В 70 - х – 80 - х годах прошлого столетия широкомасштабные происхождения проводились на территории Северного Кавказа, Волгоградской, Саратовской и Астраханской областей в связи со строительством здесь ряда объектов гидротехники и мелиорации. Методика таких исследований была разработана сотрудниками головного ПНИИИСа (Москва) Р.С. Зиангировым, Н.П. Затенацкой и др. [22]. Для лабораторных экспериментов использовалась специально сконструированная диффузионная установка. В это же время на территории Ставропольского края аналогичные исследования разновозрастных глин с использованием вышеуказанной методики проводились сотрудниками СКФ ПНИИИСа, А.М. Монюшко и С.И. Пахомовым [80]. В 1995 - 2005 годах А.М. Монюшко и Ю.И. Олянским на территории Молдавии выполнялись исследования незасоленных сарматских глин в условиях диффузионного выщелачивания с использованием методики и приборов, разработанных в ПНИИИСе.

Таким образом, за небольшой промежуток времени был накоплен значительный фактический материал по диффузионному выщелачиванию засоленных и незасоленных глинистых пород. Эти исследования выполнялись по единой методике с использованием одинаковых приборов и лабораторного оборудования, цели и задачи, стоящие перед исследователями, были одинаковые. Это дает возможность проанализировать результаты исследований глинистых пород различного возраста, генезиса и степени засоления, распространенных на обширной территории юга России от Черного и Каспийского морей, что, и выполнено в настоящей работе.

В 2011 г. вышла монография А.Н. Богомолова и Ю.И. Олянского «Инженерно - геологические особенности сарматских глин краевых прогибов юга Русской платформы», в которой авторы проанализировали условия накопления осадков в Сарматском море и физико - механические свойства сарматских глин из 2 - х регионов: Северного Причерноморья и Центрального Предкавказья. Они пришли к выводу, что существенные различия состава и свойств сарматских глин из этих двух регионов обусловлены условиями накопления терригенного материала в восточной и западной частях Сарматского моря. На востоке осадки откладывались в условиях повышенной солености морской воды, а на западе – в условиях опресняющего воздействия речного стока с Русской платформы. Вследствие этого, сарматские глины, распространенные на территории Центрального Предкавказья и выходящие на поверхность на Ставропольской возвышенности является типично засоленными породами. А сарматские глины, распространенные на территории Северного Причерноморья, выходящие на поверхность в междуречье Прут – Днестр, являются незасоленными с содержанием солей менее 0,3 % от массы сухого вещества.

Изучению инженерно - геологических свойств сарматских глин в это время посвящены работы Ю.И. Олянского, А.Н. Богомолова, Е.В.

Щекочихиной, С.А. Чарыковой, О.В. Киселевой, Т.М. Тихоновой [14, 29, 33, 66, 79]. В них авторы исследуют проблему выщелачивания глин в зависимости от исходного состава и состояния грунта и изменение физико - механических характеристик в зависимости от физико - химических процессов, протекающих в грунте при его взаимодействии с водой.

Анализ инженерно - геологической изученности сарматских глин региона позволяет сформулировать следующие выводы.

а) Сарматские глины, распространенные в Северном Причерноморье, выходят на поверхность в междуречье Прут - Днестр, где они являются основанием зданий и сооружений и образуют оползни на склонах.

б) Инженерно - геологические особенности глин в настоящее время изучены достаточно детально в связи со строительством на них и для изучения оползневой опасности территории.

в) В целом изучены основные закономерности изменения состава и свойств глин при длительном воздействии воды в условиях диффузионного выщелачивания, разработана типизация глин по устойчивости к обводнению.

г) Изучение длительного воздействия воды на незасоленные сарматские глины выполнялось без учета особенностей исходного состава грунта, в частности, детально не проанализировано влияние пирита на процесс выщелачивания и изменения свойств незасоленных глинистых пород. Влияние же пирита на процессы химических преобразований неоспоримо, а следовательно этот фактор должен учитываться при прогнозе преобразования состава и свойств глин при диффузионном выщелачивании.

д) В 80 - 90 годах различными исследователями проводились работы по изучению влияния диффузионного выщелачивания на изменение состава и свойств засоленных глин различного возраста и происхождения. Однако до сих пор отсутствуют работы, в которых был бы дан сравнительный анализ процессам выщелачивания засоленных и незасоленных глинистых пород.

2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ МЕЖДУРЕЧЬЯ

ПРУТ – ДНЕСТР И СВОЙСТВА САРМАТСКИХ ГЛИН

Местоположение. Территория республики Молдова расположена в основном в междуречье Прут - Днестр, площадь составляет 33,7 тыс. км2, протяженность с севера на юг - 350 км, с запада на восток - 150 км. На западе она граничит с республикой Румынией, на востоке с Украиной.

Рельеф. Территория Молдавии, являясь составной частью Русской равнины, расположена в ее юго - западной части и занимает значительную площадь Днестровско - Прутского междуречья в среднем и нижнем течении. Средняя глубина эрозионного расчленения поверхности в северной и южной частях территории составляет 50 - 150 м, в центральной - превышает 200 м.

Максимальные отметки поверхности приурочены к центральной части Молдавии (район Кодр) и достигают 350 - 429 м. На остальной территории высоты в основном не превышают 300 м.

В пределах Молдавии выделяются следующие основные орографические единицы: Молдавское плато, Северо - Молдавская (Кодринская), Приднестровская, и Тигечская возвышенности [13].

Молдавское плато, Приднестровская возвышенность и Северо Молдавская равнина занимают территорию северной Молдавии и отличаются преимущественно увалистыми формами рельефа. Преобладающие высоты здесь 200 - 320 м, горизонтальное расчленение 1,0 - 2,0 км/км2, вертикальное до 200 м. Увалистая поверхность напоминает в общих чертах рельеф плато, но отличается от него меньшими абсолютными высотами, горизонтальным расчленением и пологостью склонов, незаметно переходящих в волнистые водоразделы.

Центрально Молдавская (Кодринская) возвышенность занимает около 14,5 % территории республики и является наиболее приподнятой и расчлененной ее частью. Горизонтальное расчленение поверхности составляет здесь 2,5 - 4,0 км/км2, а вертикальное - превышает 200 м, местами достигает 300 м. Это позволяет называть Кодры эрозионными горами.

К югу от Центрально - Молдавской возвышенности расположены Южно Молдавская равнина, Нижнеднестровская террасовая равнина, наблюдаются увалистые формы рельефа, однако глубина эрозионного расчленения рельефа примерно в 1,5 - 2,0 раза меньше. Горизонтальное расчленение поверхности изменяется от 1,0 км/км2 и меньше - на Нижнеднестровской террасовой равнине, до 2,0 - 2,5 км/км2 - на Южно Молдавской равнине.

Климат. Климат Молдавии умеренно - континентальный. Общий характер циркуляционных процессов, который на юго - западе Европейской территории определяется западно - восточным переносом воздушных масс с Атлантического океана, и географические широты, в пределах которых находится республика, определяют большую продолжительность теплого периода, мягкую зиму, обилие тепла и света. В сумме за год радиационный баланс составляет 45 - 55 ккал/см2 - это тот энергетический фонд, который обеспечивает нагрев почвы, испарение и поддерживает средний уровень температуры воздуха на территории Молдавии. Среднегодовая температура воздуха составляет 7,5 - 10; поверхности почвы - 10 - 12. Безморозный период длится в среднем 165 дней на севере и 200 дней на юге.

Гидрография. Гидрографическая сеть территории Молдавии принадлежит бассейну Черного моря. Наиболее крупными реками являются Днестр (годовой сток около 10 км3) и Прут (годовой сток около 2,4 км3), которые на территории республики проходят своими нижними и средними течениями. Все остальные реки, за исключением р.р. Ялпуг и Когильник, являются их притоками.

Геоморфология. Согласно схеме геоморфологического районирования Молдавии в основу, которой положен анализ морфологии рельефа, его генезиса, возраста и эволюции, выделено три геоморфологические области, включающие в себя девять геоморфологических районов.

Геоморфологическая область Северной Молдавии. Эта территория охватывает большую часть территории междуречья Днестр - Прут к северу от полосы Сороки - Флорешты – Фалешты - Унгены и приурочена к приподнятому блоку добайкальского фундамента с маломощным чехлом осадочных пород. Средняя высота рельефа 235 – 245 м, максимальные отметки достигают 280 – 300 м.

Геоморфологическая область центральной и северо - восточной Молдавии. В целом эта геоморфологическая область совпадает с наиболее прогнутой частью неогеновой Прутской впадины. Восточная граница области контролируется грядой барьерных рифов среднего сармата по линии Кишинев Оргеев - Каменка. Характерная особенность рельефа центральной и северовосточной Молдавии - широкое развитие эрозионно - денудационных процессов, его значительная расчлененность и контрастность, преобладание крутосклонных долин.

Геоморфологическая область южной Молдавии. В четвертичном периоде большая часть южной Молдавии (исключая нижнее Приднестровье и крайний юг республики) была областью поднятий, причем Припрутье испытывало наиболее контрастное воздымание. Современные тектонические движения также дифференцированны. Нижнеднестровский и Чишмикиойский геоморфологические районы опускаются со скоростью до 2 мм в год, в то время как Нижнепрутский и Комратский геоморфологические районы находятся в тектонически - стабильной области. В условиях четвертичных поднятий и преобладания в верхних горизонтах осадочной толщи почти сплошного плаща рыхлых легкоразмываемых лессовидных пород происходило интенсивное развитие оврагов, а в приводораздельной части склонов – оползней.

Стратиграфия. В геологическом строении описываемой территории принимают участие отложения рифея, палеозоя, мезозоя и кайнозоя, слагающие осадочный чехол в Придунайском районе Скифской плиты. Породы осадочного чехла залегают моноклинально и наклонены в юго - западном направлении.

Кристаллический фундамент сложен сильно метаморфизованными сложнодислоцированными архейскими, нижнепротерозойскими (Молдавская плита), палеозойскими, мезозойскими (триасовыми) отложениями (Скифская плита) [6].

Отложения древнее неогена, залегающие на больших глубинах, как правило, не определяют основные особенности инженерно-геологических условий территории и не являются объектом инженерного воздействия.

Сарматская полифациальная толща осадочных пород распространена на всей территории Молдавии. Мощность сарматских отложений возрастает с северо - востока на юго – запад, где достигает 380 м. В пределах Молдавской плиты указанные отложения обнажаются на поверхности либо перекрыты аллювиально - делювиальным чехлом небольшой мощности. Большая часть разреза неогеновых отложений зоны Скифской плиты погружена ниже уровня речной эрозии на значительную глубину. Близко к поверхности здесь находятся только отложения верхнего сармата.

Балтская свита. Отложения балтской свиты залегают преимущественно к северу от г. Кишинева и слагают участки водораздельных пространств главным образом в Центральной Молдавии. Залегают они, в основном, на отложениях среднего сармата и представлены ритмично сложенными аллювиальными песчано - глинистыми образованиями общей мощностью до 150 м [55].

Меотический ярус. Морские глинистые отложения меотиса распространены лишь на юге территории Молдавии в зоне Скифской плиты и представлены глинами, алевритами и мелкозернистыми песками общей мощностью 40 – 95 м.

Кагульская свита представляет собой толщу (до 290 м) континентальных комковатых глин с прослоями алевритов и мелкозернистых песков, развитых в пределах Придунайского района Скифской плиты к северу от границы распространения морского меотиса и заключенных между кровлей нижних слоев верхнего сармата и подошвой нижнего понта.

Плиоценовый отдел. Отложения плиоценового возраста на территории Молдавии залегают трансгрессивно на миоценовых образованиях. Они характеризуются многообразием генетических типов и составов пород среди которых преобладают песок и реже – глина [87].

широко распространены на всей территории Молдавии и представлены несколькими генетическими типами пород. Это в основном континентальные отложения: различной мощности аллювиальные, делювиальные, аллювиально делювиальные, элювиальные, элювиально - делювиальные, пролювиальные и др. Морские, лиманно - морские, лиманно - дельтовые отложения имеют ограниченное распространение [86, 87].

Тектоника. Согласно современным представлениям, большая часть территории Молдавии расположена в области добайкальской (Восточно Европейской) платформы и лишь южные районы относятся к эпигерцинской (Скифской) плите [6].

Неотектонический этап развития структуры междуречья начинается с рубежа палеогена и неогена, когда были заложены и формировались основные структурные единицы Восточного Предкарпатья [6]. Дальнейшее развитие тектонической структуры территории происходило при контролирующей роли названных выше структур: двух платформ и Карпатского орогена.

Особенностью новейшей тектоники Молдавии является значительная интенсивность движений, их дифференцированность и смена направлений.

Главная особенность четвертичного этапа геологической истории – незатухающая тектоническая активность разрывных нарушений и, в первую очередь, разломов вдоль мобильных зон сочленений дочетвертичных структур.

Рассматриваемая территория относится к сейсмической области с активностью с 6 - 8 баллов [6].

Сарматское море занимало площадь как Средиземное море и пространство от Венского бассейна до пустыни Каракумы [1]. Это был сложный замкнутый бассейн, представляющий систему внутренних морей, соединенных друг с другом проливами.

В районе Предкавказья выделяется три пролива: Ставропольский, Терской и Кубанский. У берега Кавказского острова в узкой прибрежно – - район исследования незасоленных сарматских глин междуречья Прут - Днестр, - степной Крым. - район исследования засоленных сарматских глин Центрального Предкавказья.

мелководной зоне накапливались довольно пестрые по составу отложения. К северу морские глубины менялись, и можно было заметить отложения глин. Такая обстановка сохранялась в начале сармата и первой половине века.

В Главном бассейне возвышается несколько островов: Добруджа, Крым, Кавказ и Каратау. Первые три отделяют северную половину бассейна от южной. В северной половине можно различить следующие заливы: Дакийский, Галицийский и Конский.

Исследуя морскую фауну, Н.И. Андрусов убедительно доказал, что соленость воды Галицийско – Подольско – Дакийской и Крымско - Кавказской частей Сарматского моря была разной. В первой – воды менее соленые, во второй – повышенной солености. Объяснение этому он находил в опреснении воды западной части Сарматского моря речными водами, стекающими с территории нынешней Восточной Европы. В то время как речной сток с Крымско - Кавказского региона был не большим [1].

Подводя итог сказанному необходимо подчеркнуть следующее.

основными глинистыми породами верхнего миоцена, залегающими в переделах глубин инженерной деятельности, являются среднесарматские, распространенные в северной части республики, а так же балтские и верхнесарматские. Под регионально – генетическим типом мы понимаем совокупность пород определенного номенклатурного вида, одинакового возраста и происхождения, характеризующихся сходными условиями залегания и приуроченных к конкретной территории, испытавшей одинаковые по знаку и интенсивности тектонические движения и находящейся в одинаковых палеоклиматических условиях на протяжении всей истории развития.

Состав и свойства сарматских глин. Наиболее полная инженерно геологическая характеристика сарматских глин междуречья Прут – Днестр дана в работах: Олянского Ю.И., Монюшко А.М., Богдевича О.П., Вовк В.М. [7, 20, 51, 63, 71]. Некоторые сведения имеются в работах Чарыковой С.А. и др. [14, 15, 31, 34, 38]. Данные этих публикаций использованы при описании состава и свойств сарматских глин.

микроагрегатного анализов глин, приведенные в монографии [51], свидетельствуют о том, что сарматские глины по классификации И.М.

Горьковой [16] являются глинистыми высокодисперсными породами, содержащими более 50 % глинистых частиц (подтипы Ia и IIв). Глинистые породы этой группы составляют более 70 % от всех сарматских глин. Около % составляют глины, относящиеся к смешанной группе дисперсных осадочных пород (подгруппа Iб).

Наибольшим содержанием глинистых частиц (в среднем 71,3 %) характеризуются глины верхнего сармата. За ними следуют глины кагульской свиты (67,95 %). Несколько меньшее количество глинистых частиц содержат глины среднего сармата и балтской свиты (62,9 и 60,2 %). Для сарматских глин в целом характерно невысокое содержание песка – не более 2 – 3 %, и только у глин балтской свиты его количество увеличивается до 8 - 12 %. По содержанию пылеватой фракции все сарматские глины разделяются на 2 группы:

среднесарматские (с балтскими) и верхнесарматские. У первых содержание пылеватой фракции составляет в среднем 39,93 и 35,84 % соответственно, у последних содержание пыли примерно в два раза меньше, в среднем 24,07 %.

Результаты микроагрегатного анализа совместно с гранулометрическими исследованиями позволяют оценить степень агрегированности сарматских глин. Авторы [51] приводят следующие данные по коэффициенту агрегированности К агр рассчитанному для частиц менее 0,005 мм (табл. 2.1) Такое различие в степени агрегированности глинистых пород авторы обуславливают влиянием сложных физико - химических процессов и тесно связывают с историей геологического развития и современным условиями залегания их в земной коре.

Минеральный состав дисперсной фракции изучался авторами [51] различными методами. Основные выводы следующие. Сарматские глины междуречья Прут - Днестр полиминеральные, основными минералами, гидрослюда, хлорит, реже – каолинит, кальцит, гидроокислы железа монтмориллонит – гидрослюда. Суммарное содержание монтмориллонита и гидрослюд составляет 81 - 95 % остальное приходится на долю хлорита и 7 ангстремовых минералов. Отношение содержания гидрослюды к монтмориллониту в среднем 1,3 – 1,2 для глин среднего и верхнего сармата, соответственно.

структурных связей (по А.М. Монюшко и Ю.И. Олянскому) РегиональноСмешанные генетический Коагуляци- Пластифицированкоагуляционно- Цементационный Ионно - солевой комплекс глинистых пород определенный по результатам водных и солянокислых вытяжек показал, что сарматские глины междуречья Прут - Днестр преимущественно являются незасоленными, очень редко встречаются малозасоленные разности. Общее содержание водорастворимых солей как правило не превышает 0,3 %, при средних значениях 0,12 % - для среднего сармата, и 0,20 % – для верхнего сармата. Глины характеризуются высоким содержанием карбонатов – до 23,3 % - среднее значение 12,47 и 9,10 % соответственно (для глин среднего и верхнего сармата). Содержание гипса не превышает 0,42 %, аморфного кремнезема – 1,52 %.

Физические свойства глин и их состоянии по данным [51] следующие (табл. 2.2) природная влажность изменяется от 0,14 до 0,45 и находится в прямой зависимости от наличия монтмориллонита в глинистой фракции. Средние значения влажности: 0,23 и 0,24 – для глин среднего и верхнего сармата соответственно.

Влажность предела текучести колеблется в широких пределах в зависимости от степени агрегированности, минерального состава и ионно солевого комплекса породы и изменяется от 0,35 до 0,83, при средних значениях: 0,48 и 0,55 – для среднего и верхнего сармата соответственно.

Влажность предела раскатывания изменяется от 0,17 до 0,42, при средних значениях: 0,24 и 0,27 – для глин среднего и верхнего сармата соответственно.

Число пластичности колеблется от 0,18 до 0,51, при средних значениях: 0,24 и 0,28 – для глин среднего и верхнего сармата соответственно. Глины находятся преимущественно в твердом состоянии (J L < 0), коэффициент естественной уплотненности приближается к 1 и в среднем составляет 1,04 - 1,11.

Пористость глин сармата в зависимости от их влажности изменяется от 28,1 до 58,1 %, причем средние значения для глин среднего и верхнего сармата примерно одинаковые – 40,5 и 40,2 % соответственно.

Плотность глинистых пород сармата естественного сложения и влажности, изменяется в интервале 1,70 – 2,13 г/см3, средние значения так же близки – 2,00 и 2,03 г/см3. Плотность «сухого» грунта d в зависимости от пористости и влажности пород изменяется от 1,17 до 1,96 г/см3, однако средние значения для глин среднего и верхнего сармата так же одинаковые и составляет 1,63 и 1,64 г/см3 соответственно.

Механические свойства и набухаемость глин приведены в табл. 2. набухание сарматских глин охарактеризовано по величине свободного набухания sw, давлению набухания и влажности набухания Wsw.

Сарматские глины в большинстве своем являются набухающими. Величина свободного набухания sw, изменяется от 0,03 до 0,39 при средних значениях 0,18 и 0,33 – для глин среднего и верхнего сармата соответственно. Средние значения влажности набухания составляют 0,35 и 0,31 – соответственно.

Число пластичности, Jр Пористость n, % Плотность, г/см Плотность «сухого» грунта d, г/см Примечание: в числителе – для глин среднего сармата, в знаменателе – для глин верхнего сармата Давление набухания Рsw глин сарматской толщи в целом высокое и достигает 10,75х105 Па. Причем у глин верхнего сармата оно выше (в среднем 4,21х105 Па), а у глин среднего сармата ниже (в среднем 1,99 х105 Па).

Прочностные свойства сарматских глин по результатам испытаний на срез и по пенетрации опытным испытаниям следующие: удельное сцепление, с – от (0,28 до 4,78)х105 Па, угол внутреннего трения достигает 55. По величине удельного сцепления глины верхнего и среднего сармата почти одинаковые – (1,34 и 1,39)х105 Па (среднее), а по углу внутреннего трения существенно различаются: 20,3 и 49,4, соответственно для глин среднего и верхнего сармата.

Механические свойства и набухаемость сарматских Свободное набухание Давление набухания, P sw х105Па Влажность набухания, W sw Удельное сцепление, сх105Па Угол внутреннего трения,, град Модуль деформации Ех105Па Примечание: см. табл. 2. Удельное сопротивление пенетрации Рm и составляет (5,16 и 4,85)х105 Па – для глин среднего и верхнего сармата соответственно. Прочность глин оценивалась по сопротивлению на сдвиг по схеме консолидированного среза (общая прочность) и по подготовленной поверхности в состоянии природной влажности и по смоченной поверхности (остаточная прочность). Величина удельного сцепления (общего) в зависимости от плотности и песчанности глин изменяется от 0,02…0,05 МПа – для пород с числом пластичности 0,18…0, до 0,10…0,25 МПа – для пород с числом пластичности свыше 0,28…0,30.

Наибольшей величиной общего удельного сцепления (до 0,478 МПа) обладают мергелистые глины с коэффициентом агрегированности (по И.М.

Горьковой) более 20, характеризующиеся цементационным типом структурных связей.

остаточного сцепления наглядно иллюстрируется следующим примером. Для выборки (N=22) сарматских глин с пластифицировано - коагуляционным типом структурных связей, (по классификации И.М. Горьковой) нормативное значение общего сцепления составило 0,120 МПа. Для другой выборки такого же объема, с близкими значениями физических и химико - минералогических характеристик, но со смешанным коагуляционно - цементационным типом структурных связей, нормативное значение удельного сцепления составило 0,165 МПа. Нормативное значение остаточного удельного сцепления для обеих выборок, определенное повторным сдвигом, оказалось одинаковым и составило 0,029 МПа [51].

Изучалась зависимость остаточной прочности сарматских глин от такого Зависимость между остаточным утлом внутреннего трения и числом пластичности аппроксимируется прямолинейной функцией с коэффициентом корреляции r=0,77 (рис. 2.3).

Прогноз угла внутреннего трения при расчете устойчивости склонов регрессионному уравнению. Модуль деформации Е в зависимости от влажности и состояния глин составляет (60-550)х105 Па, при средних значениях (144 и 205)х105 Па соответственно для глин среднего и верхнего сармата.

По реологическому поведению образцов сарматских глин, изученных при влажности на предел текучести, глины отнесены авторами [51] к группе тонкодисперсных пород, переходных от пластично - вязких к упруго – пластическим деформациям является отношение Р к-1 / 2Р к-1.

Рис. 2.3 Зависимость остаточного угла внутреннего трения Максимальные значения этого показателя приурочены к глинам среднего сармата (среднее значение 5,45), минимальные – у глин верхнего сармата (среднее 3,57). Следовательно, наибольшей потенциальной способностью к образованию оползней выдавливания, получено в горных выработках и откосах при напряжении выше Р к-1, обладают глины среднего сармата.

Инженерно - геологические процессы, связанные с сарматскими глинами. Сарматские отложения практически повсеместно распространены на территории Молдовы в пределах междуречья Прут - Днестр. Они полиминеральными гидрослюдисто монтмориллонитовыми глинами, уклон сарматской толщи на юг и юго - запад. В центральной части междуречья сарматскими отложениями сложены «эрозионные» горы – Кодры, испытывающие воздымание со скоростью 6 мм в год и более [6].

Непосредственно на склонах Кодр обнажаются среднесарматские глины.

Основными инженерно - геологическими процессами, обусловленными распространением сарматских глин на описываемой территории, является:

образование оползней и подтопление.

Оползневые процессы являются основной инженерно - геологической проблемой для строительства и сельскохозяйственного освоения региона Кодр. Многочисленные древнеоползневые формы рельефа (гыртопы) служат главной достопримечательностью этих мест. Ежегодные убытки, причиняемые экономике Молдовы оползнями огромные. Только один Клишевский оползень в 1985 году нанес ущерб в несколько миллионов рублей. В данном регионе расположены крупные города: Кишинев, Оргеев, Калараш и др., застройка которых зачастую существенно осложняется неустойчивостью склонов.

Проблема оползней наиболее остро стала в 60 - х годах, прошлого столетия с началом массовой застройки городов и сел республики.

Главными организациями, изучающими оползневые склоны, и проектирующими противооползневые мероприятия, были: ГПИ «Молдкоммунпроект» и МолдГИИНТИЗ. Методами прогноза оползней занимались и сотрудники КПИ: Н.Г. Оргиян, Г.И. Устинова, С.С. Орлов и др.

[73, 74, 75, 102].

Ими, в частности, было установлено, что многие склоны, сложенные песчано - глинистыми, глинистыми и оползневыми накоплениями сармата при крутизне 5° становятся оползнеопасными, наиболее же опасными являются склоны крутизной 6 - 8°. Дальнейшее увеличение крутизны (выше 12°) уже не оказывает влияние на интенсивность развития оползневого процесса. Авторы [102] изучали прочность древнеоползневых накоплений в условиях их водонасыщения и набухания и получили следующие данные: с - 0,023...0,027 МПа. Ими установлено также, что влияние повышенной влажности глин часто перекрывается степенью развития трещиноватости и ее направленностью. О существенном влиянии на устойчивость склонов сейсмической трещиноватости сарматских глин свидетельствуют исследования А.Я. Егорова.

В 70 - х годах влияние состава и свойств среднесарматских глин двух типов накоплений на развитие оползневых процессов в Центральной Молдавии высокодисперсных среднесарматских глин в коренном залегании и в высокодисперсных глин современных оползней - потоков: - 4...11°; с МПа. Для песчаных глин в коренном залегании и в смещенных блоках - 8...31°; с - 0...0,045 МПа; песчаных глин в современных оползнях потоках: - 17...23°: с - 0,01...0,005 МПа. Данные получены по результатам испытаний образцов методом неконсолидированного среза по подготовленной увлажненной поверхности.

В 90 - х годах комплексные исследования сарматских глин проводили сотрудники Института геофизики и геологии АН Молдовы [51]. Выполненные исследования позволили детализировать проблему определения прочности сарматских глин посредством применения современных научных методов и приборов. Ими получены следующие значения показателей прочности консолидированного среза образцов природной влажности): - 2...55°; среднее - 20,3°; с - 0,028...0,40, среднее - 0,134 МПа.

Как известно (Маслов, 1968) сопротивление сдвигу выражается трехчленной формулой, в которой присутствует два вида сцепления: за счет коагуляционных (обратимых) контактов между частицами и фазовых (необратимых). Наличие коагуляционной составляющей сцепления обусловлено плотностью и влажностью пород, дисперсностью и гидрофильностью слагающих пород минералов, степенью ориентированности частиц [60]. Второй составляющей общего сцепления является жесткое сцепление, обусловленное необратимыми структурными связями химической природы. Последняя составляющая почти полностью определяет общее сцепление, которое слабо зависит от влажности и состава глинистой породы. Таким образом, сцепление глин является функцией многих переменных, каждая из которых имеет свой знак и абсолютную величину а, следовательно, по - разному влияет на его конечное значение.

В настоящее время существует большое количество методов оценки устойчивости грунтов на склонах. Опыт выполнения таких исследований для сарматских глин на территории Молдовы заключается в следующем.

Определяющее влияние на расчет устойчивости оползневых склонов оказывает не используемый метод расчета коэффициентов устойчивости (даже самый сложный из них), а точность и представительность значений показателей прочности глинистого грунта. Широко применяемый в Молдове метод определения значений и с оползневых пород заключается в выполнении обратных расчетов коэффициента устойчивости на действующих оползнях. Для коэффициенте регрессионному уравнению 2.1 [60].

Подтопление. Сарматские глины на территории междуречья Прут Днестр распространены исключительно широко. На поверхность они выходят только на высоких водоразделах Кодринской возвышенности, на остальной территории перекрываются лессовыми или песчаными отложениями, создавая тем самым благоприятные условия для техногенного подъема уровней подземных вод – подтопления. В связи с тем, что вся территория Молдавии относится к зоне недостаточного увлажнения, возделывание сельскохозяйственных культур, как правило, осуществляется с использованием орошения, в связи, с чем происходит подъем уровней подземных вод.

Так, например: Ингулецкий массив орошения, расположенный в центральной части междуречья, сложен лессовой толщей мощностью до 20 м, подстилаемой сарматскими глинами. После начала его эксплуатации зарегистрирован быстрый подъем уровней подземных вод. Скорость подъема в первые годы достигала 3,5 м/год, а по мере приближения уровней к поверхности она уменьшилась и на глубине 2 - 3 м наступила стабилизация.

Ряд крупных массивов орошения расположен в долине р. Днестр, где водовмещающей толщей является песчаные, гравийно - галечные отложения, а водоупором служат сарматские глины. После начала эксплуатации вода заполнила рыхлую толщу и поднялась на высоту 3 - 5 м.

Рис. 2.4 Схематическая карта подтопления территории г.Кишинева (составили Ю.И. Олянский, И.Ю. Кузьменко) Примером развития подтопления на участках сложенных лессовыми породами, подстилаемыми сарматскими глинами, является территория г.

Кишинева. Мощность лессовых пород на территории города достигает на поверхностного стока и условиями дренирования подземных вод. Тем не менее, после начала застройки городских территорий практически повсеместно начался подъем уровней подземных вод. Скорость такого подъема в зависимости от условий естественной дренированности площадки достигала 1, канализационных магистралей и зафиксировалась на глубинах 1,0 – 2,0 м от дневной поверхности.

породами, подстилаемыми сарматскими глинами, привело к обводнению последних и их диффузионному выщелачиванию. Прочностные характеристики подстилающих сарматских глин существенно уменьшились, что привело к поверхностью скольжения приуроченной к кровле сарматских глин.

Сотрудниками АН Молдовы были проанализированы условия и закономерности подтопления территории города и составлена Схематическая прогнозная карта подтопления территории г. Кишинева (рис. 2.4)

3. ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ НЕЗАСОЛЕННЫХ

САРМАТСКИХ ГЛИН ПРИ ДИФФУЗИОННОМ

ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ

Выщелачивание – суть вынос растворенного вещества из породы. Этому предшествует процесс растворения вещества (соли); оба эти процесса взаимно связаны – активное растворение соли предопределяется ее выносом в форме раствора. Миграция растворенных солей, содержащихся в поровом растворе (фильтрационной) диффузии. В системе «порода - вода» устанавливается подвижное физико - химическое равновесие, а содержащиеся в породе соли переходят в водный раствор, насыщая его; и процесс дальнейшего растворения прекращается. Чтобы процесс растворения солей продолжался, необходимо нарушить установившееся равновесие, что происходит при поступлении новых слабопроницаемых глинах солеводоперенос осуществляется посредством молекулярной диффузии и обусловлен градиентом концентрации; в легкопроницаемых суглинках, песках, а также в трещиноватых породах солеводоперенос происходит как под влиянием градиента концентрации, так и движущимся водным потоком, т.е. посредством конвективной диффузии.

В природе процессы выщелачивания широко развиты, их активность подчиняется климатической зональности – максимальное выщелачивание пород наблюдается в гумидных зонах под воздействием пресных атмосферных и подземных вод, как правило, обогащенных углекислотой, кислородом и органическими кислотами, поступающими в воду в результате разложения отмерших растений.

представляет собой движение ионов в поровом растворе от мест с повышенной концентрацией поровых вод к местам с пониженной концентрацией. С диффузионным перемещением солей в поровых растворах глин взаимно связано осмотическое перемещение растворителя воды, идущее в противоположном направлении движению солей и тем самым способствующее выравниванию концентрации поровых вод и замедлению диффузионного солепереноса.

определяется: а) диффузионной проницаемостью; б) градиентом концентрации солей; в) гидродинамическим и гидрохимическим режимом контактирующих с глинами водоносных горизонтов; г) температурным режимом и другими факторами. Установлено, что глины активно выщелачиваются пресными подземными водами, обогащая их солями. При этом наряду с растворением и выносом солей в глинах активно протекают обменные реакции между катионами поровых вод и обменными катионами поглощающего комплекса. На крайних стадиях рассоления, когда все легкорастворимые соли и гипс из глин удалены, происходит их рассолонцевание – в поровых водах накапливается сода (Na 2 CO3 ) за счет поступления обменного натрия [22].

Пресные поверхностные и подземные воды, контактируя с засоленными глинами, будут способствовать их диффузионному выщелачиванию. При этом происходит понижение минерализации поровых вод, изменяется их состав и состав обменных катионов, снижается в породе содержание карбонатов и гипса, как следствие указанных изменений, формируются новые физико механические свойства.

3.1. Методика исследований Полевые работы выполнялись сотрудниками лаборатории Физико механических свойств горных пород ИГ и Г АН Молдавии в период с 1986 по 1989 г.г. под руководством зав. лабораторией с.н.с. Олянского Ю.И.

Образцы сарматских глин для исследований отбирались из буровых скважин и шурфов на площадках проектируемого строительства на территории междуречья Прут - Днестр, забивным пробоотборником диаметром 127 мм.

Всего обследовано 17 строительных площадок, расположенных в различных районах междуречья, сложенных сарматскими глинами выходящими на поверхность и служащие основанием проектируемых инженерных сооружений (рис. 3.1).

Интервал опробования составил от 0,5 до 34,0 м, пробы отбирались из сарматской толщи ( N1S3, N1S2, N1S ). Всего отобрано 30 образцов сарматских глин ненарушенного сложения из северной, центральной и южной частей междуречья, характеризующихся различными геологическими особенностями, условиями залегания и распространения сарматских глин, особенностями климата, гидрогеологии и геоморфологии. Каталог выработок и образцов сарматских глин приведен в табл. 3.1. Опробовались преимущественно невыветрелые разности горных пород. Учитывая большой комплекс лабораторных определений и естественную неоднородность состава и свойств отложений, отбирались по два образца – близнеца.

Лабораторные исследования состава и свойств образцов глинистых пород выполнялись в лаборатории Физико - механических свойств горных пород ИГ и ГАН Молдавии (моделирование процессов диффузионного минералогические исследования грунта), в специализированной химической лаборатории АН Молдавии (химические анализы фильтрата, химические исследования грунта).

Моделирование процессов диффузионного выщелачивания осуществлялось в специальной диффузионной установке конструкции ПНИИИСа (Зиангиров Р.С., Затенацкая Н.П. и др.), позволяющем проводить выщелачивание глин в условиях непрерывного омывания дистиллированной водой верхнего и нижнего торцов образца грунта высотой 2,5 см и площадью 40 см2. Опыты проводились без пригрузки образца (в условиях свободного набухания).

Каталог выработок и образцов сарматских глин Лабор. Номер Глубина, Местоположение Геологический Выщелачивание осуществлялось на протяжении 3 - 4 месяцев с расходом воды 0,125 л/сут, что по данным Н.П. Затенацкой [22] и Ю.И. Олянского [64] является оптимальным режимом выщелачивания глин. В процессе опыта на всех образцах проводились регулярные замеры деформации свободного набухания, а у отдельных образцов с периодичностью 1 раз в 12 - 15 сут.

замерялось удельное сопротивление пенетрации (пластическая прочность) при помощи пластометра Ребиндера конусом с углом при вершине 30. Величину удельного сопротивления пенетрации P m определяли как отрезок, отсекаемый прямой h2=f(p) на оси нагрузок p. Испытания проводились не менее чем при нагрузках, прямая h2=f(p) аппроксимировалась методом наименьших квадратов.

Испытания считались законченными, когда объем образца стабилизировался, pН фильтрата становился равным pН исходного водного раствора, а электропроводность образца больше не изменялась.

После завершения опыта по диффузионному выщелачиванию образец помещался в стандартное сдвиговое кольцо в уплотнитель под нагрузку 0, МПа, где он выдерживался до стабилизации деформации уплотнения. На этом же образце определяли сдвигающие усилия при нагрузках 0,1; 0,2; 0,3 МПа – по предварительно подготовленной поверхности. Проведенные ранее исследования прочности глин в Предкавказье [80] показали, что главное различие ненарушенного образца и образца, предварительно срезанного, заключается в более высокой величине сцепления у первого. Величина угла внутреннего трения различается значительно слабее. Первая величина срезающего усилия для ненарушенного образца при нагрузке 0,1 МПа позволяла определять его условное удельное сцепление.

После завершения прочностных испытаний образец передавался в лабораторию для анализа. Минеральный состав глинистой фракции определялся тремя методами: рентгеноструктурным, электронно микроскопическим и дериватографическим; химический анализ проводился стандартными методами (водная и солянокислая вытяжка); число и состав обменных катионов определялось по методу Пфеффера; емкость поглощения методом Аскинази в модификации Грабарова и Уваровой. Аналогично исследовались и исходные образцы. Химический состав водного фильтрата определялся в специализированной лаборатории (ЦАМ) Академии наук Молдавии в среднем 1 раз в неделю.

предварительно разделены на 2 группы: не содержащие пирит (или его содержание не превышало 0,5 %) и содержащие пирит (в количестве более 0,5 %) Определение наличия пирита в образце производилось в шлифах с применением поляризационного микроскопа.

Рис. 3.2 Схема диффузионной установки (А) и камера для изучения процессов диффузионного выщелачивания (Б) 1-станина; 2-камера; 3-резервуар-дозатор; 4-коллектор; 5-сборник-стакан; 6-бак для воды; 7-часовой механизм; 8-рамка рычажно-силового устройства; 9-рычаг; 10-противовес; 11-подвеска; 12-разновес гирь; 13- корпус; 14-грунтоносное кольцо; 15-прокладка; 16-направляющее кольцо; 17-обойма на резьбе; 18-отверстия в кольце; 19-отверстия в корпусе; 20-пористая несжимаемая пластина из плексиглаза; 21перфорированная пластинка; 22-поршень; 23-штуцер; 24-опорная площадка; 25-индикатор; 26-шарик силового нагружения; 27-траверза силовой рамки; 28-арматура для крепления индикатора; 29-каналы для подачи воды; 30- водоприемник; 31-трубка; 32- пластиковая пленка;

33-уплотнитель; 34-штуцер; 35-канал; 36-нижняя перфорированная пластинка Гранулометрический и микроагрегатный состав. Степень дисперсности образцов сарматских глин оценивалась по результатам гранулометрических и микроагрегатных анализов. Первый, отражающий механический состав пород при наибольшей пептизации, выполнялся пипеточным методом, после растирания навески в присутствии 5 % раствора пирофосфата натрия. Второй, определяющий вторичную (природную) дисперсность, производился по методу Н.А. Качинского [39] исключающему какое либо химическое воздействие на образец грунта.

Результаты исследований представлены в табл. 3.2 и на рис. 3.3 и 3.4. В соответствии с гранулометрической классификацией И.М. Горьковой [16], наиболее распространенной группой являются глинистые высокодисперсные породы, содержащие более 50 % глинистых частиц. Содержание дисперсной (менее 0,005 мм) фракции составляет 39,91 – 89,70 % и 42,39 – 81,22 % для образцов, не содержащих и содержащих пирит соответственно. Средние значения для первых – 69,8 %, для вторых – 61,0 %.

При микроагрегатной подготовке образцов, содержание дисперсной фракции меньше и составляет: 15,09 – 54,3 % и 18,61 – 58,12 % для образцов не содержащих и содержащих пирит соответственно.

Средние значения для первых – 36,1 %, для вторых – 30,8 %.

Коэффициенты агрегированности для образцов обеих групп примерно равны, их средние значения равны 1,93 и 1,97 соответственно (табл. 3.3).

Содержание фракции песка (> 0,05 мм) при обеих способах подготовки образцов составляет в среднем 10,3 и 2,3 % - для образцов не содержащих пирит при гранулометрическом анализе и 12,1 и 7,6 % - при микроагрегатном анализе соответственно. Содержание пылеватой фракции (0,05 – 0,005 мм) для образцов обеих групп существенно различается в зависимости от способа подготовки образца. При гранулометрической подготовке содержание пыли в среднем составляет 28,9 – 27,9 %, при микроагрегатной: 57,2 – 56,4 % для образцов, не содержащих и содержащих пирит соответственно.

Вещественный состав образцов сарматских глин (до выщелачивания) номер Микроагрегатный состав, % Коэффициент дисперсной фракции Примечание: в числителе - среднее значение, в знаменателе – коэффициент вариации; N – количество образцов.

глин показал, что наличие или отсутствие в их составе пирита в принципе не отражается на их механическом составе. Кроме этого, данные анализов наглядно иллюстрируют, что у образцов сарматских глин в природных условиях агрегированы две группы фракций - дисперсная и пылеватая. При полном разрушении всех агрегатов, содержание этих фракций увеличивается примерно в 2 раза. Фракция песка практически представлена моночастицами соответствующего размера. При разрушение агрегатов размером песка, повышение содержания этой фракции незначительное.

рентгеноструктурного, электронно - микроскопического и термического анализов. Глинистая фракция для анализа выделялась из суспензии на проводилась на просвечивающем электронном микроскопе, при увеличении 9, и 13,5 тыс. раз.

Рис. 3.5 График - треугольник минерального состава Количественные исследования выполнялись на рентгеновском дифрактометре. Запись образцов осуществлялась в воздушно - сухом состоянии после насыщения этиленгликолем и после прогревания. Результаты исследований представлены на рис. 3.5 и 3.6, а так же в табл. 3. Рис. 3.6 Электронные микрофотографии дисперсной фракции свидетельствует о том, что основными минералами являются гидрослюда и монтмориллонит. Содержание первого составляет 18 - 75 % и - 55 % для образцов не содержащих и содержащих пирит, при средних значениях 46,6 и 47,4 % соответственно. Содержание монтмориллонита составляет 13 - 70 % и 29 - 52 % для образцов не содержащих и содержащих пирит, при средних значениях 47,7 и 34,7 % соответственно.

Таким образом, изученные образцы сарматских глин полиминеральные и представлены в основном двумя минералами: гидрослюдой и монтмориллонитом, в сумме составляющие 81 - 97 % и 63 – 92 % для образцов не содержащих и содержащих пирит соответственно. Гидрослюда, как правило, представлена изометрично – пластинчатыми частицами, редко удлиненной формы с четкими угловатыми или сглаженными краями, от непрозрачных для электронов, до почти прозрачных. Монтмориллонит всегда присутствует в шлифах в виде тонких мелких чешуек и хлопьевидных агрегатов с нечеткими контурами или плотных компактных агрегатов, толщины которых постепенно уменьшается к их краям. Кроме гидрослюды и монтмориллонита так же присутствуют включения других глинистых минералов: хлорита, каолинита, гетита, галлуазита, кальцита, глауропита, сидфита и др. Следует отметить, что образцы, не имеющие пирита содержат этих минералов меньше. Их сумма составляет в среднем 17,9 %, а у образцов имеющих пирит – 5,7 %.

Ионно - солевой комплекс. Определение состава и содержания воднорастворимых солей проводилось при помощи водных и солянокислых вытяжек, а карбонатов – кальциметрическим методом. Содержание органических веществ определялось по методике Тюрина. Для определения состава водорастворимых солей готовились водные вытяжки при соотношении грунта к воде 1:5. Результаты анализов использовались для расчета гипотетического состава солей. Количество легкорастворимых солей определялось как сумма всех гипотетических солей за вычетом содержания CaSO 4 и Ca(HCO 3 ) 2.

Суммарное содержание легкорастворимых и среднерастворимых солей (плотный остаток) является критерием для оценки степени засоления глин.

Результаты анализов приведены в табл. 3.4 - 3.7.

Минерализация образцов глин (по сухому остатку) составляет в целом 0,0700 – 0,8722 г/100 г сух. пор. (табл. 3.4) существенного различия в степени засоления образцов не содержащих и содержащих пирит, не имеется. Средние значения показателя составляют 0,17 и 0,19 г/100 г сух. пор. соответственно. По качественному составу ионов существенные различия наблюдаются только для трех ионов: (К+ + Na+) и SO 4 -2. Образцы глин не содержащие пирита содержат повышенные содержания К+ + Na+ – в среднем 0,041 г/100 г сух. пор., а у образцов содержащие пирит, их содержание равно 0,029 г/100 г сух. пор. кроме этого, у первых несколько меньше содержание иона SO 4 -2 – в среднем 0, г/100 г сух. пор. относительно 0,090 г/100 г сух. пор. для образцов содержащих пирит. Последнее является следствием стадийного преобразования пирита, проходящего по схеме:

Возникающая при этом серная кислота понижает pH среды, резко увеличивает подвижность железа, растворяет карбонаты, появляется и химические преобразования в природной среде залегания сарматских глин наиболее активно наблюдаются в зоне выветривания. Однако, для образцов, отобранных за пределами этой зоны, какими являются изучаемые образцы – эти процессы протекают значительно медленнее, но они имеют место. Это и объясняет повышенное содержание ионов SO 4 -2 у образцов сарматских глин, содержащих пирит, по сравнению с образцами, у которых пирит отсутствует.

По этой же причине карбонатность первых несколько больше, чем у вторых:

14,11 % относительно 9,54 % и содержание двухвалентного железа больше, чем у вторых: 0,46 г/100 г сух. пор. относительно 0,28 г/100 г сух. пор. (в среднем).

Результаты химического анализа водных вытяжек и содержание некоторых компонентов 141 0,1382 0,336 0,0062 0,0060 0,0057 0,0411 0,0701 0,01 7,05 0,65 0,24 0,2336 0, 171 0,0900 0,0189 0,0091 0,0061 0,0102 0,0144 0,0668 0,27 16,65 0,47 0,14 0,2145 0, 221 0,3213 0,0280 0,0096 0,0245 0,0140 0,1703 0,0485 0,27 9,67 0,27 3,34 0,5898 0, 306 0,8722 0,0995 0,0827 0,0145 0,0140 0,5510 0,0653 0,95 9,76 0,43 1,54 0,3351 1, 104 0,3410 0,0227 0,0021 0,0056 0,0098 0,1574 0,0763 0,05 14,81 0,31 0,49 2,0628 0, 113 0,1030 0,0040 0,0111 0,0062 0,0070 0,0366 0,0427 0,10 6,21 0,55 0,30 0,0573 0, 115 0,1210 0,0245 0,0169 0,0047 0,0057 0,0457 0,0577 0,27 40,75 0,63 0,71 0,0859 0, 119 0,0890 0,0124 0,0111 0,0057 0,0052 0,0222 0,0544 0,14 2,84 0,64 0,37 0,1432 0, 120 0,0980 0,0130 0,0127 0,0057 0,0057 0,0222 0,0644 0,18 9,78 1,06 0,91 0,1432 0, 153 0,1340 0,0278 0,0091 0,0080 0,0091 0,0668 0,0489 0,03 10,96 0,39 0,95 0,4381 0, 168 0,0860 0,0125 0,0091 0,0055 0,0151 0,0144 0,0427 0,11 20,54 0,44 0,08 0,0762 0, 236 0,2120 0,0716 0,0136 0,0065 0,0092 0,1029 0,0520 0,00 9,05 0,42 0,37 0,3152 1, 237 0,1120 0,0301 0,0086 0,0027 0,0092 0,0255 0,0634 0,02 13,74 0,29 0,44 0,1719 1, 247 0,6480 0,0775 0,0720 0,0332 0,0223 0,3835 0,0563 0,42 12,44 0,21 3,60 1,1174 0, Результаты химического анализа водных вытяжек и содержание некоторых компонентов засоленности сарматских глин Катионы, г/100 г сух. пор.

Ca + Mg + Анионы, г/100 г сух. пор.

SO HCO Содержание гипса, % Карбонатность, % Аморфный кремнезем, % Содержание гумуса, % Примечание: см. табл. 3. Емкость поглощения и состав обменных катионов образцов глинистых пород (до выщелачивания) Лабор. Емкость Состав обменных катионов, мг-экв/100 г сух.пор.

номер поглощения, Емкости поглощения и состава обменных катионов сарматских глин Состав обменных катионов, мг-экв/100 г сух. пор.

Ca + Mg + Примечание: см. табл. 3. Емкость поглощения и состав обменных катионов. Одной из важнейших характеристик глинистых пород служит емкость поглощения, являющаяся интегральным показателем их минерального состава, дисперсности и химических особенностей. Средние значения емкости поглощения обеих изучаемых образцов сарматских глин примерно равны: 21,65 и 21,78 мг-экв/ г сух. пор. для образцов не содержащих и содержащих пирит соответственно.

Колебания этого показателя достаточно существенно для обеих групп:

12,02 – 34,47 мг-экв/100 г сух. пор. (таб. 3.6). В составе обменных катионов у образцов обеих групп преобладают ионы Na+ и K+: 0,35-3,91 мг-экв/100 г сух.

пор. и 0,13 – 1,21 мг-экв/100 г сух. пор. соответственно (табл. 3.6). Однако у образцов, не содержащих пирита обменные катионы выстраиваются в ряд:

Mg+2>Ca+2>Na+>K+, а у образцов, содержащих пирит в ряд Ca+2> Mg+>Na+> K+ (табл. 3.7).

Таким образом, в поглощенном комплексе глин в целом преобладают ионы Mg+2 и Ca+2 на их долю приходится в среднем 8,64 – 7,75 мг-экв/100 г сух.

содержащих и содержащих пирит. Существенного различия по этим показателям для обоих образцов глин не наблюдается.

образца