Строение толщ и инженерно-геологические особенности нижнемеловых грунтов территории г. Москвы

Общая характеристика работы.

Актуальность работы. Градостроительная политика г. Москвы в последние годы направлена на поиск архитектурных и инженерных решений, позволяющих оптимизировать использование свободного пространства. В связи с острой нехваткой не занятых застройкой территорий в практике проектирования и строительства четко определились две тенденции: 1) возведение зданий большой высотности, предполагающее глубинное заложение фундаментов, часто с организацией подземной части; 2) максимально возможное использование подземного пространства. В связи с этим в сферу воздействия инженерных сооружений все больше и больше вовлекаются дочетвертичные породы, залегающие на значительных глубинах.

На территории г. Москвы под толщей четвертичных образований на глубинах 1-40 м залегают нижнемеловые породы, максимальная мощность которых достигает в районе Теплостанской возвышенности 92 м. Сложное строение нижнемеловой толщи, выражающееся, прежде всего, в высокой фациальной изменчивости слагающих ее отложений, преимущественно водонасыщенное состояние грунтов, создающее сложности при опробовании in situ, присутствие отдельных разностей, склонных к разжижению и проявляющих плывунные свойства, а также относительно глубокое залегание нижнемеловых грунтов обусловили их очень слабую изученность в инженерно-геологическом отношении. Таким образом, вопрос о комплексном инженерно-геологическом исследовании нижнемеловых грунтов актуален и остается открытым.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка типизации толщ нижнемеловых отложений территории г. Москвы и изучение особенностей состава, строения и свойств нижнемеловых грунтов с учетом их современного положения в геологическом разрезе и состояния.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) разработать методику типизации толщ нижнемеловых пород, выделить и охарактеризовать типы разрезов, установить их приуроченность к определенным элементам рельефа; выявить литологические виды грунтов, участвующих в строении нижнемеловых толщ;
2) изучить химико-минеральный состав нижнемеловых грунтов как отражение условий их формирования и постгенетических изменений;
3) изучить особенности строения нижнемеловых грунтов, выявить взаимосвязь минерального состава, дисперсности и морфологии частиц в составе грунтов выделенных стратиграфических подразделений;
4) исследовать свойства нижнемеловых грунтов, проанализировать сходство и различия в свойствах грунтов различных стратиграфических подразделений; установить взаимосвязи между составом, строением, физическими и физико-механическими свойствами нижнемеловых грунтов.

Объекты исследования и вклад автора. Объектами исследования были выбраны малоизученные в инженерно-геологическом отношении нижнемеловые грунты территории г. Москвы.

Работа является результатом исследований, проведенных автором в период обучения в очной аспирантуре на кафедре инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с 2005 по 2008 гг. Для работы по теме диссертации был использован фактический материал, полученный за период обучения в магистратуре и аспирантуре, а также фондовые материалы различных организаций. Типизация толщ нижнемеловых грунтов проведена на основе фондовых данных по 156 участкам на территории г. Москвы. Автором отобраны и исследованы более 80 образцов нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений с 14 участков, расположенных в пределах г. Москвы; проанализированы также данные изыскательских организаций по составу, строению, состоянию и свойствам грунтов на 51 участке на территории мегаполиса.

Методика исследований и достоверность результатов. Исследования проводились с помощью методов, широко используемых в грунтоведении, а также рентгеновской дифрактометрии, электронной микроскопии (РЭМ), микрозондового анализа. Для обработки результатов использовались методы статистического анализа. Комплексное сочетание методов позволило получить надежные и достоверные научные результаты.

Научная новизна
1. Установлены основные критерии подразделения толщ нижнемеловых пород и впервые проведена их типизация для инженерно-геологических целей. Выявлена изменчивость выделенных типов разрезов (толщ) по простиранию и приуроченность их к определенным элементам рельефа. Определена частота встречаемости выделенных типов разрезов и литологических видов грунтов, участвующих в их строении.
2. Получены новые данные о химико-минеральном составе песчаных и глинистых нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений.
3. Выявлены группы нижнемеловых дисперсных грунтов по макростроению. Получены новые данные об особенностях мезо- и микростроения нижнемеловых грунтов.
4. Впервые выявлены инженерно-геологические особенности нижнемеловых грунтов территории г. Москвы различного макростроения, дисперсности, различных стратиграфических подразделений на основе систематизации и анализа большого массива данных.

Защищаемые положения

1. Предложена типизация толщ нижнемеловых пород территории г. Москвы, основанная на делении по трем категориям признаков: глубине залегания кровли (группы); мощности нижнемеловых пород (подгруппы); составу и строению толщи (типы). Для областей сплошного, местами прерывистого и редкоостровного распространения нижнемеловых пород выявлены преобладающие (наиболее характерные) глубины залегания, мощности и типы разрезов, а также наиболее распространенные литологические виды грунтов. Охарактеризована пространственная изменчивость типов толщ; установлена приуроченность выделенных типов разрезов к определенным элементам рельефа.

2. Установлено, что химико-минеральный состав нижнемеловых грунтов является чувствительным индикатором условий их формирования и постгенетических изменений. Песчаные грунты кварцевые, с примесью полевых шпатов, реже глауконита, слюды; часто содержат аморфные полуторные оксиды и кремнезем. Среди глинистых грунтов преобладают разности с доминирующей ролью кварца в составе (от 35% в суглинках тяжелых до 94% в супесях); встречаются специфические глауконитовые разности с минимальным (23%) содержанием кварца, присутствием смешанослойных минералов и рентгеноаморфного вещества в значимых количествах. Выявлена изменчивость ассоциаций глинистых минералов, связанная с фациальной и литологической неоднородностью, областями сноса материала, с характером и интенсивностью постгенетических преобразований. Нижнемеловые грунты преимущественно незасоленные, в целом бескарбонатны, не проявляют агрессивности либо слабоагрессивны к строительным материалам. Воды в нижнемеловых отложениях имеют низкую минерализацию и отличаются, при преобладании гидрокарбонатного кальциевого типа, высокой изменчивостью химического состава, обусловленной положением толщи в геологическом разрезе, особенностями строения перекрывающих отложений, техногенной нагрузкой.

3. Выявлены специфические особенности строения нижнемеловых дисперсных грунтов на разных масштабных уровнях. Макростроение характеризуется четырьмя группами: песчаные однородные, глинистые относительно однородные, переслаивающиеся песчаные и глинистые грунты, грунты со сложными текстурами. Песчаные грунты хорошо сортированы, однородны по дисперсности, характеризуются псаммитовыми равномерно-, мелко- и тонкозернистыми мезоструктурами, беспорядочными мезотекстурами, присутствием в некоторых разностях частиц < 0,2 мкм, обуславливающих их способность к разжижению. В глинистых грунтах преобладают алевро-пелито-псаммитовые и пелито-псаммитовые мезоструктуры, отмечаются мезотекстуры сложного типа (биотурбированнная и пр.); микроструктуры от тонко- до крупнодисперсных, средне- и высокоориентированные, со смешанным типом связей между частицами (агрегация преимущественно в мелкопесчаной и крупнопылеватой фракциях); в поровом пространстве превалируют крупные анизометричные межмикроагрегатные и межмикроагрегатно-зернистые микропоры.

4. Для нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений впервые установлена взаимосвязь макростроения, дисперсности с показателями физических, физико-химических и физико-механических свойств. Показано, что вариации показателей свойств максимальны для горизонтально и линзовидно переслаивающихся песчаных и глинистых грунтов. Получены новые зависимости физических свойств нижнемеловых песчаных и глинистых грунтов от состава и строения, а также их прочностных и деформационных свойств от физических свойств, выраженные уравнениями множественной регрессии.

Практическая значимость работы. Предложенная типизация толщ нижнемеловых пород, а также установленные взаимосвязи выделенных типов с определенными геоморфологическими элементами могут быть использованы при проведении изысканий на этапах составления программы работ и технического задания.

Результаты проведенного комплексного исследования состава, строения и свойств нижнемеловых грунтов различных стратиграфических подразделений могут широко использоваться в практических целях в качестве справочного пособия по нижнемеловым грунтам.

Полученные регрессионные уравнения могут быть использованы для оценки значений показателей ряда физических и физико-механических свойств грунтов (включая и пески нарушенного сложения) по характеристикам, легко определяемым в лаборатории.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XI, XII и XIII международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам <Ломоносов> (МГУ, 2004, 2005, 2006), VII международной конференции <Новые идеи в науках о земле> (Москва, 2005), научно-практической конференции молодых специалистов <Инженерные изыскания в строительстве> (Москва, ПНИИИС, 2006), первой общероссийской конференции изыскательских организаций <Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации> (Москва, ПНИИИС, 2006), опубликованы в сборниках тезисов годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (10-е Сергеевские чтения, Москва, 2008), научно-практической конференции <Геоэкологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы> (Москва, 2008), рекомендованных ВАК журналах <Вестник Московского университета. Серия 4. Геология> (Москва, 2008, N 4) и <Бюллетень МОИП> (Москва, 2009, N 1).

Структура и объем работы. Диссертация объемом 262 страницы состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 165 наименований. Текст работы сопровождается 30 таблицами и 42 рисунками.

Автор выражает благодарность научному руководителю, доктору г.-м.н., профессору В.Т. Трофимову и доценту кафедры С.К. Николаевой за постоянную помощь, поддержку, ценные советы на всех этапах выполнения работы. Автор также благодарен всему коллективу кафедры инженерной и экологической геологии МГУ за советы, рекомендации и замечания при подготовке работы, в частности, профессорам В.Н. Соколову и В.А. Королеву, ст.н.с. В.Г. Шлыкову.

Автор искренне признателен ст.н.с. А.Г. Олферьеву, проф. А.С. Алексееву за помощь в определении стратиграфической принадлежности отобранных образцов, проф. Е.Ю. Барабошкину, доц. Л.Ф. Копаевич, асп. А.С. Никульшину за консультации по вопросам палеогеографии раннего мела, проф. В.Т. Фролову, доц. Т.А. Шардановой, ст.н.с. М.Н. Щербаковой за консультации по литологическим вопросам, А.В. Суркову за данные и интерпретацию грануло-минералогического анализа.

Автор благодарен руководству и сотрудникам ООО НПФ <СтройИнвест Ко>, в частности, П.И. Кашперюку, В.Н. Калинину, Н.А. Филькину за помощь при отборе образцов, предоставление материалов инженерно-геологических изысканий и ценные советы; руководству и сотрудникам ГУП <Мосгоргеотрест>, ОАО <Метрогипространс>, ФГУП <Геоцентр-Москва> за предоставление фондовых материалов для характеристики объектов исследования.