Инженерно-геологические и гидрогеологические условия

Инженерно-геологические условия.

Для территории Карельского картона характерно:

1. Наличие большого количества и разновидностей ледниковых отложе­ний (qQ):

• собственно ледниковых;

• водно-ледниковых;

2. Формирование современного рельефа и современной географичес­кой среды;

3. Большое разнообразие отложений (грунтов) по генезису на коротких расстояниях и глубине, легко под­дающиеся изменению (разрушению, морозному пучению, разжижению);

4. Относительно малая продолжительность четвертичного периода, поэтому преобладают молодые континентальные отложения (рыхлые, малоуплотненные);

5. Четвертичные отложения являются главным вместилищем чистых пресных вод;

6. Появление человека, а впоследствии и интенсивных техногенных явлений и процессов.

Четвертичная система на территории Юга центрального представлена отложе­ниями верхнего, среднего и нижнего звеньев плейстоцена (Q_I , Q_II, Q_III) и современными (Q_/v,). Четвертичные отложения залегают преимущественно на скальных породах архея (AR) и протерозоя (PR). Лишь в юго-восточной части в основании четвертичных отложений залегают породы палеозоя (Pz). Мощность четвертич­ных отложений варьируется — 3-20 и до 120 м. Четвертичные отложения часто насыщены водой, так как они заполняют депрессии.

Выступающие на поверхность скальные породы являются весьма надежными основаниями для любых зданий и сооружений, однако часто верхняя зона выветрелая (элювий е) и обводнена.

Элювиальные отложения представлены скоплениями продуктов фи­зической дезинтеграции скальных пород. Элювиальные отложения в целом также являются надежными в качестве оснований зданий и сооружений, в них часто имеются подземные воды.

Скальные породы и элювиальные отложения обычно перекрыты природными дисперсными маломощными грунтами (верхнечетвертич­ными отложениями) и современными образованиями.

Ступенчато-блоковое строение поверхности скальных пород определяет большое количество резких понижений, заполненных сложными комп­лексами осадков: озерно-ледниковых, озерных, морских, болотных.

Поверхностные четвертичные отложения в ос­новном представлены грунтами ледникового последнего (осташковского) оледенения комплекса.

К основным генетическим типам отложений ледниковой формации относятся моренные (основные и конечные q), потоково-ледниковые (флювиогляциальные fq) и озерно-ледниковые lq.

Моренные отложения имеют наибольшее развитие среди верхнечетвертичных образований. Средняя мощность моренных отложений — 5-6 м. Характерной особенностью морен является их преимущественно малая мощность и чрезвычайно неравномерное и высокое содержание крупнообломочных фракций и пыли, сущес­твенно влияющих на их свойства, особенно в процессе строительства, консервации и эксплуатации сооружений. Размер валунов составляет от 0,2 до 2,0 м и более. Местами они достигают 3-5 м в поперечнике.

Литологические мореные образования чрезвычайно разнообразны: валунно-галечно-гравийные, песчаные, супесчаные и суглинистые. Физико-механические свойства морены определяются преимущест­венно мелкоземом (фракции меньше 2 мм).По содержанию глинистой фракции морена классифицируется Б. И. Сербой на четыре литологические разности: песчаную, супесчаную, суглинистую и глинистую. Они на коротком расстоянии иногда могут пе­реходить одна в другую как по простиранию, так и по разрезу. Высокая пылеватостъ песчаной (до 30%), супесчаной (до 40%) и сугли­нистой (до 73%) морен, даже при сравнительно невысокой влажности (около 12%), способствует миграции влаги при промерзании и соответственно — морозному пучению. На Юге центрального геоблока основное распространение имеют последние три литологические разности.

Мореные отложения (основные) отличаются высокими плотностью и сопротивлением сдвигу, небольшой деформативностью и водонепроницаемостью. Однако из-за изменчивости состава (неравномерного распределения крупнообломочных включений по глуби­не и простиранию), неодинаковой плотности и коэффициента водонасыщения различных точках сжимаемость морены в пределах даже одного здания неодинакова. Эти разли­чия резко усугубляются наличием линз песчано-глинистых образований, нередко встречающихся в толще морены, и техногенными факторами.

Конечная морена — грунты, находящиеся в мягкопластичном и даже текучем состоянии, так называемые «слабые» морены.

При вскрытии в котлованах грунты конечной морены легко размокают, теряют несущую способность, проявляют плывунные свойства, склонны к

сильному морозному пучению, разжижению. Конечноморенные образования часто содержат глыбы и отторженцы грунтов неледникового происхождения, в том числе — торфов.

Флювиогляциалъные отложения главным образом представлены зандровыми разнозернистыми песками и песчано-гравийно-галечниковым материалом. Крупные, обширные по площади, самостоятельные массивы об­разуются довольно редко, обычно они залегают в виде прослоек или рассе­яны в виде включений в толще моренных образований.

Мощность зандровых (приледниковых) песков не превышает 5-10 м, но чаще состав­ляет 3-5 м. Они обычно малосжимаемы и служат надежным основани­ем для различных промышленных и гражданских зданий и сооружений. Мелкозернистые и сильнопылеватые пески, а также супеси в водонасыщенном состоянии могут быть «ложными» плывунами, сильнопучинистыми. В целом грунты характеризуются значительной водопроница­емостью.

Озовые (внутриледниковые) отложения обладают достаточной несущей способ­ностью, даже в нарушенном состоянии. Эти группы являются прекрасным строительным материалом. Длина их различная от сотен метров до десятков километров крутизна скло­нов 10-40° .

Озерно-ледниковые (приледниковые и внутриледниковые) осадки имеют локальное развитие по всей территории. Они занимают пониженные участки позднеледникового рельефа (тяготе­ют к впадиним современных озер). Позднеледниковые (озерно-ледниковые) отложения представлены преимущественно слабыми водонасыщенными лен­точными глинами, суглинками, реже супесями.

Ленточные отложения— своеобразный генетический тип осад­ив озерно-ледникового комплекса четвертичных отложений. Согласно существующим теориям, они отлагались в предледниковых озерных бассейнах за счет привноса глинистого, пылеватого и песчаного материала талыми ледниковыми водами. Такие условия способствовали отложению зимой глинистого, а весной-летом — песчаного состава, образующих годовую ленту. Особенность ленточных отложений — их структурная прочность в ес­тественных условиях. Влажность в природных условиях залегания со­ставляет от 15 до 117% . В целом ленточные глины и суглинки характеризуются высокой естес­твенной влажностью и пористостью, пониженной плотнос­тью, сильной и неодинаковой сжимаемостью (неравномерносжимаемые), размокаемостью, низкой прочностью, резко уменьшающейся при нарушении естественого сложения. Поэтому, при проектировании оснований и возведении сооружений обращается на со­хранение природного сложения, не допуская искусственного увлажнения, промерзания, динамических воздействий и др.

Современные (послеледниковые) образования весьма разнообразны

генезису; морские, озерные, аллювиальные, эллювиально-делювиальные и торфяно-болотные отложения.

К морским отложениям (mQ_IV) относятся слабые грунты, представленные «иольдиевыми» глинами, которые слабо развиты на территории юга центрального геоблока. Иольдиевые глины представлены в основном пылеватыми суглинками и глинами, являются сильно и чрезвычайно пу- чинистыми грунтами, так как влажность их достигает 120%, а со­держание пыли — от 15 до 93%. Площадки, сложенные иольдиевыми глинами, являются весьма небла­гоприятными для строительства любых сооружений.

Элювиально-делювиальные (ld Q_IV) отличаются отдельными участками в местах развития грядово-холмистого рельефа, где в виде глыбово-ще- бенистых осыпей перекрывают склоны возвышенностей небольшой мощ­ности.

Современные озерные отложения (lQ_IV) развиты по берегам современ­ных озер и занимают значительные площади по побережьям Онежского озера. Они представлены сапропелями, илами, пылеватыми песками, супесям. Их мощность не превышает 6-8 м. В суглинистых толщах переменной мощности в нижних частях отмечаются рассеянные включения растительных остатков, иногда образующих линзы и прослойки мощностью 2-3 см. Илы представлены совершенно неуплотненными, водонасыщенным или взвешенными в воде алевролито-пелитовыми образованиями.

Торфяно-болотные (биогенные) отложения неравномерно и сильно сжимаются с мощность, доходящей до 7-14 м (средняя — 1-2 м). Они могут служить естественным основанием лишь для легких и малочувс­твительных к осадкам сооружений. Торфяно-болотные отложения характеризуются специфическими свойствами, тре­буют специальных методов исследования и инженерной подготовки, от­носятся к группе пород особого состава, состояния и свойств.

Аллювиальные отложения (aQ_IV) имеют незначительное распростра­нение, так как реки являются молодыми (голоценного возраста). Реки незначительно разливаются в период половодья, поскольку боль­шинство из них зарегулировано многочисленными озерами. Выделяются три основные группы отложений (мощность 2-7 м): русловой, пойменный и старинный аллювий. Русловой аллювий представлен грубозернистым материалом и тонкозернистым. Пойменный аллю­вий представлен пылевато-песчаными и пылевато-глинистыми осадками (супеси, суглинки). В водонасыщенном состоянии мелкие и пылеватые пес­ки обладают плывунными свойствами, сильнопучинистые.

Эоловые осадки (vQ_IV) это мелко- и тонко­зернистые кварцевые пески, слагающие гряды береговых дюн, мощностью до 10-15 м.

Техногенные отложения (tQ_IV) представлены неодинаковой мощностью разнообразных ископаемых, неиспользованными остатками обработки древесины и др. Эти отложения не могут служить в качестве оснований, т. к. на них развиваются значительные, дли­тельные неравномерные осадки

Гидрогеологические условия Карельского картона.

Подземные воды, действуя на породы, меняют их свойства и состоя­ние, особенно рыхлых и полускальных пород, содержащих в своем составе глинистые минералы (мергели, суглинки, глины и т. п.). Учет влияния вод очень важен при оценке устойчивости карьеров, дорог, оползней, суффо­зии, морозоопасности и ряда других процессов. Подземные воды имеют существенные отличия от поверхностных.

В целом водоносные горизонты зависят от:

• Условий водопроницаемости {к_ф коэффициента фильтрации);

• Литологии и петрографии (дисперсные, рыхлые, трещиноватые, водоупорные).

Высокая влажность воздуха способствует стоку выпавших осадков и инфильтрации их в грунт — метеогенный (инфильтрационный) тип подземных вод.

В осадочных породах преобладают трещинно-пластовые воды, в дис­персных рыхлых грунтах — поровые воды, в кристаллических породах — трещинные воды. Поровые и трещинные воды в совместном залегании часто образуют единый грунтовый горизонт с общей свободной поверхностью. Внешними признаками присутствия подземных вод могут служить выходы источников.

Вид и режим подземных вод определяются физическими и водными свойствами грунта и характеристиками грунтовых вод:

Верховодка образуется за счет просачивания через зону аэра­ции свободной гравитационной воды, которая скапливается в кровле небольших линз и прослоев слабофильтрующих грунтов. Либо накапливается в относительно слабоводопроницаемые грунты и медленно проникает через них к поверхности грунтовых вод. Формирование верховодки часто происходит и под воздействием техногенных факторов.

Эти воды часто загрязнены (не рекомендуются для питьевых нужд), трудно поддаются прогнозированию.

Грунтовые воды залегают в дисперсных породах четвертичных отложений на глубине 0 — 10 м являются поровые и в подстилающих их скальных, кристаллических породах докембрия — трещинные. В скальных породах аккумулируются трещинные воды, залегающие в зонах экзогенных и тектонической трещиноватости .

В озерно-болотных отложениях (на равнинах) воды залегают вбли­зи дневной поверхности (обводняется вся толща 0,3 — 7 м и до 20 м).

В морских отложениях (mQ_w) имеется местный напор, поскольку они часто перерыты суглинками, глинами.

Межпластовые воды часто приурочены к толще дисперсных межморенных пород четвертичных отложений, сложенных взаимно переслаивающими слоями и линзами водоносных водоупорных грунтов изменчивой мощности. Они имеют напорно-безнапорный режим. Большинство этих вод характеризуются постоянством режима, они пресные.

Артезианские воды ха­рактеризуются различной степенью минерализации: от пресных до слабосолоноватых и среднесоленых. Артезианские воды приурочены к толще трещиноватых известняков и доломитов, залегающих т. глубине 20 — 40 м под четвертичными отложениями и в толще терригенных отложений (песках), перекрытых толщей глин.

Дисперсные грунты — это трех- или двухфазная система (все поры заполнены водой). Пористость грунтов меняется в широких пределах .

В скальных породах пористость (п = 1-5%) мала, водопоглощение и коэффициент размягчения имеют маленькие значения. Существенное влияние оказывает трещиноватость, достигающая 10-20%. В полускальных породах эти показатели уже влияют на размягчение. В грунтах эти показатели большие и имеют громадное значение. Вода, насыщая поры дисперсных грунтов, может находиться в состоянии покоя или состоянии движения, усложняя условия строительс­тва и эксплуатации сооружений. Подземные воды изменяют напряженные состояния оснований, карьеров под воздействием на грунты гидростати­ческих и гидродинамических сил.

Гидростати­ческие силы проявляются тогда, когда гравитационной (свободной) воды больше капил­лярного объема в грунтах и имеется гидравлическая связь, и поровая вода будет взвешивать частицы грунта по закону Архимеда (уменьшать их плот­ность).

В целом вследс­твие этого снижается прочность грунтов и увеличивается их сжимаемость. Напорные воды дополнительно уменьшают эффективные напряжения в грунте на величину гидродинамического давления.

Если поровая вода будет находиться в состоянии движения, то кроме гидростатического давления частица будет испытывать также гидродина-

мическое давление (D). Направление действия гидродинамического давления и его вели­чина имеют большое значение для устойчивости грунтов:

• если D направлено вниз, то грунт дополнительно уплотняется;

• если D направлено вверх, то грунт разрыхляется.

При значительных напорных градиентах наблюдаются разжижение грунтов, в том числе мореных супесей, и переход их в плывунное состоя­ние, а также суффозионный вынос тонкодисперсных фракций из песков и легких песчаных супесей.

Вскрытые водонасыщенные грунты могут приходить в дви­жение, приобретая свойства очень вязкой, тяжелой жидкости, и стенки выемки (котлована, карьера) оплывают. Для оценки способности песка переходить в плывунное состояние мо­гут служить следующие характеристики:

• естественная высокая пористость;

• водонасыщенность ;

• гранулометрический состав.

Вероятность разжижения песков при динамических нагрузках :

• большая вероятность — пески рыхлые, сцепление отсутствует;

• разжижение возможно — пески рыхлые или средней плотности со слабо развитым сцеплением С;

• вероятность разжижения невелика (пески средней плотности с раз- зитым сцеплением);

• разжижение практически невозможно — пески плотные и средней плотности с хорошо развитым сцеплением.

Для борьбы с плывунностью грунтов следует производить откачку воды через фильтры (зумпфы), часто расположенные скважины, тем самым снижая пьезомет­рический уровень потока и градиент напора. Предусматривать в грунтах с коэффициентом фильтрации меньше 2,5-10~⁵ см/сек электроосмотическое осушение. Осуществлять в грунтах при необходимости химическое закрепление (жидкое стекло и хлористый кальций). Также возможно производить замораживание грунтов.

Суффозия грунта — это вынос потоком воды мелких частиц из круп­ных пор. Суффозия возможна:

1. в неоднородных грунтах, по которым возможно турбулентное движение воды;

2. при скорости фильтрации, больше критической;

3. в грунтах определенного состава и структуры, пористости;

4. на склонах (откосах искусственных выемок) при резком пониже­нии уровня воды (при откачке, в реке после паводка за счет увеличения v^ и крутой депрессионной кривой) может образоваться оползень;

5. в трещиноватых и глинистых породах вынос частиц может быть по трещинам выветривания или хода землероющих животных, выщелачива­ния водорастворимых солей.

Меры по предупреждению суффозии должны быть направлены на предотвращение поступления и перемещения воды путем:

• регулирования поверхностного стока;

• перехвата подземных вод дренажом;

• защиты глинистых пород от выветривания устройством защитных покрытий песком, перемятой глиной и другими;

• устройства обратных фильтров;

• уменьшения скорости фильтрации с помощью изменения конструкции сооружения;

• искусственного улучшения свойств грунтов (силикатизация, це­ментация и другие).

Кольмамация — это вмыв (заполнение) мельчайших глинистых и илистых частиц в поры и не­большие трещины грунтов в целях уменьшения их фильтрации.

Кольматация — это широко распространенный процесс в природе, из­меняющийся во времени и в пространстве.

Встречаются два вида кольматации: естественная и искусствен­ная.

На процесс кольматации влияют:

• генезис грунта;

• грансостав, форма и размеры частиц — главный фактор;

• пористость, микроструктура и другие.

Кольматации легче поддаются песчаные грунты, чем суглинистые, проникновение глинистых частиц в поры которых затруднено. Грунты, имеющие частицы диаметром 2-0,05 мм, обладают особыми свойствами, отличающими их от гравелистых и пылеватых. Они лишены связности, имеют большой коэффициент фильтрации, пески крупные, не обладают молекулярной влагоемкостью, пески пылеватые — практически водонепроницаемые, с трудом отдают воду.