Инженерно-геологические изыскания в междуречье р. Камы и нижнего течения р. Белой для строительства зданий и сооружений

Строительство является важнейшей отраслью хозяйственной деятельности человека, прошедшей большой путь развития от доисторических времен до сегодняшнего дня. Строятся жилые дома, производственные и общественные здания, различные сооружения, располагающиеся на участке земной поверхности и простирающиеся вглубь, создавая нагрузку на земную кору. Поэтому любому строительству предшествует процесс инженерно-геологических изысканий, целью которых является изучение геолого-литологического строения и гидрогеологических условий участка, физико-механических свойств грунтов, физико-геологических процессов и явлений, способных отрицательно повлиять на строительство и эксплуатацию проектируемых зданий и сооружений.

Инженерно-геологические изыскания

Междуречье р. Камы и нижнего течения р. Белой находится на северо-западе Республики Башкортостан, территории, развитой в промышленном отношении в связи с разработкой Арланского нефтяного месторождения, продолжающейся более 60 лет. Здесь грунты, четвертичные отложения.

расположены города Нефтекамск, Агидель и Янаул, множество поселков и крупных деревень, а также различные памятники природы (Загитова, 2006). Строительство представлено возведением объектов жилого, промышленного и культурного назначения, включая сооружения для нефтедобычи. Инженерногеологические изыскания зависят от размеров проектируемых зданий и сооружений, в первую очередь, от глубины заложения фундамента, а также от глубины залегания подземных вод. Для строительства малоэтажных зданий в сельских населенных пунктах достаточно изучение геологических условий до глубины 10–20 м, многоэтажных зданий в городах – до 30–50 м. Поскольку рассматриваемая территория отличается промышленной эксплуатацией, ведется строительство крупных сооружений, включая подземные, возникает необходимость инженерно-геологических изысканий до глубин, превышающих 4000 м.

Стратиграфический разрез осадочной толщи междуречья р. Камы и нижнего течения р. Белой представлен горными породами девонской, каменноугольной, пермской, а также отложениями неогеновой и четвертичной систем, плащеобразно покрывающими

палеозойские в пределах всей исследуемой площади.

В породах девонской системы выделяются средний и верхний отделы.

Первый из них представлен старооскольским надгоризонтом живетского яруса, состоящим из карбонатно-терригенных пород – песчаников, алевролитов, глин и глинистых карбонатов с толщиной 5–10 м (Баймухаме-тов и др., 1997). Здесь же встречается пласт песчаников, алевролитов, аргиллитов темнобурых и зеленовато-серых муллинского горизонта толщиной 29–35 м.

К верхнему девону относятся мелкозернистые песчаники, алевролиты, глинисто-алевролитовые породы толщиной 5–20 м паший-ского горизонта нижнефранского подъяруса франского яруса. Выше расположен кынов-ский горизонт с аргиллитами зеленовато-серыми и буровато-серыми, прослоями глинистые известняки. Толщина горизонта доходит до 25–30 м. Среднефранский подъярус представлен известняками зеленовато-серыми и темно-серыми, органогенными, глинистыми с толщиной 15 м саргаевского горизонта. Выше находятся темноокрашенные известняки, битуминозные с прослоями сланцев толщиной 15–20 м доманикового горизонта. В составе верхнефранского подъяруса имеются отложения известняков серых и темно-серых, глинистых, местами доломи-тизированных, относящихся к воронежскому, евлановскому, ливенскому и мендым-скому горизонтам. В нижней части разреза наблюдаются прослои аргиллитов мощностью 225–265 м.

Фаменский ярус характеризуется известняками светло-серыми и серыми, плотными, кристаллическими, органоген-ными с прослоями доломитов (до 250 м).

Каменноугольная система представлена нижним, средним и верхним отделами (Хакимова, 2016). В нижнем карбоне выделяется турнейский ярус, содержащий: а) малевский и упинский горизонты – известняки серые и светло-серые, мелкокристаллические и пелитоморфные толщиной 20–30 м; б) черепет-ский и кизеловский горизонты – известняки светло-серые, органогенно-обломочные, пелитоморфные, в верхней части глинистые и окремненные. Общая толщина горизонтов 20–30 м.

Выше располагается визейский ярус: а) ел-ховский горизонт – аргиллиты темно-серые, толщиной 0,5–5 м, иногда размыты; б) рада-евский горизонт – пачка аргиллито-песчаных пород, состоящая из песчаников светло-серых, глинистых, а также аргил-литов темносерых, плотных, углистых, зачастую замещающихся углями, толщина отложений горизонта – от 1 до 15 м; в) бобриковский горизонт – песчаники, алевролиты, аргиллиты, угли, толщиной – до 35 м; г) окский надгоризонт, тульский, алексинский горизонты – переслаивание песчаников, алевролитов и аргиллитов с подчиненными прослоями известняков, толщина доходит до 30–35 м; д) михайловский, веневский горизонты – известняки и доломиты серые и буровато-серые, плотные, кристаллические, трещиноватые и кавернозные, толщина слоя колеблется от 65 до 95 м.

Завершает нижний карбон серпуховский ярус с доломитами белыми, серыми и буровато-серыми, плотными, кристаллическими, с прослоями известняков, пористо-кавернозными, толщина – 90–110 м.

Средний карбон представлен башкирским и московским ярусами. Первый содержит известняки серые и светло-серые, плотные, кристаллические, толщиной – 35–50 м. Московский ярус состоит из нескольких горизонтов: а) верейский горизонт – переслаивание известняков, мергелей, аргиллитов, известковистых песчаников и алевролитов с толщиной отдельных прослоев до 15 м, толщина горизонта – 45 м; б) каширский горизонт – известняки с прослоями доломитов, известняки серые и буровато-серые, кристаллические, прослоями органогенно-обломочные, пористые, пористо-кавернозные; доломиты кристаллические, иногда пористо-кавернозные, толщина – 65–85 м; в) подольский горизонт – преимущественно известняки серые и светлосерые, кристаллические, прослоями органогенные, пористые. Встречаются прослои доломитов, толщина – 65–95 м; г) мячковский горизонт – известняки серые и светло-серые, кристаллические, прослоями органогенные, иногда доломитизированные, окремнелые; лоломиты светло-серые, коричневато-серые, кристаллические, окремнелые, прослоями пористые и трещиноватые; толщина отложений горизонта находится в пределах 65–95 м.

Верхний карбон представлен чередованием прослоев известняков и доломитов. Известняки светло-серые, коричневато-серые, кристаллические и органогенно-обломочные, доломитизированные. Доломиты серые, пелитоморфные и тонкокристаллические. В подошвенной части – прослои известняков плотных, тонкокристаллических. Толщина слоя около 190 м.

Пермская система состоит из нижнего и верхнего отделов 1 (Пучков, 2014). Нижняя пермь включает а) ассельский и сакмарский ярусы – известняки серые и буровато-серые, кристаллические и органогенно-обломочные с прослоями доломитов; в верхней части разреза – прослой сульфатизированных плотных известняков толщиной – 100– 125 м; б) артинский ярус – известняки и доломиты светло-серые, кристаллические и пелитоморфные, в подошве яруса – прослои светло-голубых ангидритов, толщина – 5– 30 м; в) кунгурский ярус сложен переслаиванием ангидритов, доломитов и иногда известняков, толщина горизонта доходит до 180 м.

Верхняя пермь представлена: а) соликамским горизонтом в виде доломитов, ангидритов и гипсов с глинистым материалом, толщина – 20 м; б) уфимским ярусом из толщи известково-песчаных красноцветных глин, переслаиваемых песчаниками коричневато-серыми, толщина слоя колеблется от 100 до 225 м; в) казанским ярусом – переслаивание аргиллитов, песчаников, алевролитов с прослоями конгломератов и известняков. Ярус развит на правобережном водоразделе р. Белой.

Толщина казанского яруса – до 50 м.

Неогеновая система кайнозоя содержит песчаные и гравийно-галечные линзы и прослои в толще песчанистых глин нерасчленен-ного среднего и верхнего плиоцена. Отложения по преимуществу слагают пологие левобережные склоны р. Белой и ее притоков и имеют толщину до 25–35 м.

Четвертичная система представлена аллювиальными отложениями супесей и суглинков, песков и гравийно-галечных осадков, слагающих аккумулятивные террасы долин рек Белая и Кама. Толщина покровных супесей и суглинков 2–7 м, толщина песчано-гравийно-галечных отложений 5–35 м. На коренных склонах развиты преимущественно глинистые элювиально-делювиальные отложения толщиной до 10 м.

Структурный план пород среднего и верхнего девона отличается от структуры поверхности терригенных отложений нижнего карбона. Наблюдается пологое погружение поверхности девонских отложений на север и северо-восток. Резкая перестройка структурного плана происходит в фаменских и турнейских известняках. Выделяется серия валов, имеющих северо-западную ориентировку, параллельно границам Бирской седловины (Баймухаметов и др., 1997). К одному из этих валов, названному Арлано-Дюртюлинским, приурочена Арланская структура. Вал имеет протяженность до 120 км, северное окончание которого находится на Вятской площади. Ширина вала меняется от 10 до 35 км. Образование крупной Арланской структуры связано с развитием Актаныш-Чишминской ветви Камско-Кинельской системы некомпенсированных прогибов. В ядре складки находится гигантский барьерный риф верхнедевонского (фа-менского) возраста. В радаевско-бобриков-ское время на территории мегавала происходили интенсивные карстовые процессы, в результате которых образовались котловины различных размеров, зачастую очень глубоких, за счет размыва турнейских известняков. Эти котловины впоследствии заполнены радаевско-бобриковскими терригенными отложениями. По кровле вал имеет ассимет-ричное строение – с более крутым (до 5о) юго-западным крылом и пологим (до 1о) северо-восточным. Амплитуда структуры по замкнутой изогипсе составляет 90–100 м. На фоне обширной Арланской структуры по кровле выделяется большое число локальных структур меньших размеров и амплитуды. Их размеры, как правило, не превышают 1–5 км. Вверх по разрезу структурный план сохраняется, но становится менее контрастным и по верхнепермским отложениям практически полностью нивелируется.

Гидрогеология территории представлена терригенными и карбонатными породами, составляющими два этажа, между которыми располагаются галогенные отложения кунгурского яруса. Верхний гидрогеологический этаж состоит из надкунгурской толщи с водоносными горизонтами преимущественно пресных вод, образующей зону интенсивного и замедленного водообмена. Нижний гидрогеологический этаж состоит из горных пород нижней перми и верхнего девона, образующих водоносные горизонты и комплексы пластовых рассолов зоны весьма замедленного водообмена. На этом этаже плотные пласты, чередующиеся с проницаемыми слоями, играют роль водоупоров водоносных горизонтов. Общая минерализация и химический состав подземных вод меняется сверху вниз, начиная от 90– 200 г/л и заканчивая 270–280 г/л. Последние уже относятся к рассолам. В качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения используются воды верхнего гидрогеологического этажа, состоящего из следующих структурных единиц: 1) водоносный горизонт аллювиальных четвертичных отложений (aQ); 2) водоносный горизонт не-расчлененного среднего и верхнего плиоцена (N 2 ³+ap); 3) водоносный комплекс отложений нижнеказанского подъяруса (P 2 kz 1 ); 4) водоносный комплекс отложений уфимского яруса (P 2 u).

При строительстве малоэтажных зданий достаточно провести инженерно-геологические изыскания до глубины 10–20 м. Они начинаются с рекогносцировочного обследования местности, направленного на выявление поверхностных проявлений физико-геологических процессов, способных отрицательно повлиять на устойчивость проектируемых сооружений, оценку возможных изменений геологической среды под воздействием строительства и реконструкции сооружений. Основной вид полевых работ – буровые работы с целью изучения геолого-литологического строения, условий залегания грунтов, гидрогеологических условий; отбора проб грунта и воды для лабораторных исследований. Особое внимание уделяется исследованию физико-механических свойств грунтов, пример которого приводится ниже.

Участок строительства под здание детского сада находится в с. Буртюк Краснокамского района Республики Башкортостан. В геологическом строении участка до изученной глубины (12,0 м) принимают участие четвертичные отложения. Сводный инженерно-геологический разрез участка следующий (сверху вниз):

Четвертичные отложения.

• 1.    Почвенно-растительный слой (hQ iv ) . Мощность почвенного покрова 0,5…1,2 м.

• 2.    ИГЭ-1 (dQ). Глина красновато-коричневого цвета, от полутвердой до твердой консистенции, с карбонатными включениями, с редкими прослойками суглинка тугопластичного. Вскрытая мощность слоя от 10,8 до 11,5 м.

По сложности инженерно-геологических условий площадка отнесена к I категории (СП 47.13330.2012).

На основании полученных результатов на исследуемой площадке выделены следующие инженерно-геологические элементы (ИГЭ):

ИГЭ 1 – глина полутвердая (adQ).

Выделенный ИГЭ характеризуется значениями показателей физико-механических свойств, приведенными в табл.

При водонасыщении: С: С р = 0,036 МПа (α = 0,85); С р = 0,035 МПа (α = 0,95); φ: φ р = 14° (α = 0,85); φ р = 13°(α = 0,95); Е: Е р = 9 МПа.

В двух скважинах обнаружены единичные прослойки суглинка тугопластичного толщиной 0,5…0,7 м. Согласно п. 5.4 ГОСТ 20522-2012*, суглинок в данном случае не выделяется в отдельный элемент, а его характеристики принимаются: С: С р = 0,022 МПа (α = 0,85); С р = 0,019 МПа (α = 0,95); φ: φ р = 15° (α = 0,85); φ р = 14° (α = 0,95); Е: Е р = 11 МПа.

По результатам лабораторных исследований, грунты к бетону нормальной плотности агрессивными свойствами не обладают. Коррозионная агрессивность к свинцовой оболочке кабеля – от средней до высокой, к алюминиевой оболочке кабеля – от средней до высокой. Коррозионная агрессивность грунтов ИГЭ-1 к углеродистой стали высокая, удельное электрическое сопротивление изменяется от 3,50 до 4,20 Ом.

Таблица. Физико-механические свойства ИГЭ 1 - глина полутвердая на участке строительства детского сада в с. Буртюк Краснокамского района РБ

Наименование показателей	Единица измерения	Количество определений	Значения			Коэф-фици-ент вариации	Расчетные значения
			Минималь-ные	Максималь-ные	Нормативные		α=0,85	α=0,95
Естественная влажность (коэффициент надежности)	д.ед.	26	0,15	0,289	0,238	0,15	0,245 0,97	0,250 0,95
Плотность грунта (коэффициент надежности)	г/см3	26	1,80	2,02	1,92	0,03	1,91 1,005	1,90 1,01
Плотность скелета грунта	г/см3	26	1,41	1,69	1,55	0,05
Плотность частиц грунта	г/см3	26	2,70	2,74	2,73	0,01
Граница текучести	д.ед.	26	0,340	0,580	0,438	0,12
Граница раскатывания	д.ед.	26	0,200	0,283	0,231	0,10
Число пластичности	д.ед.	25	0,140	0,250	0,203	0,15
Показатель текучести	д.ед.	26	<0	0,250	0,086	-
Пористость	%	26	38,10	48,54	43,45	0,07
Коэффициент пористости (коэффициент надежности)	д.ед.	26	0,615	0,943	0,767	0,13	0,788 0,97	0,800 0,96
Коэффициент водонасы-щения	д.ед.	25	0,775	0,950	0,859	0,06
Удельное сцепление: (коэффициент надежности)	МПа	13	0,039	0,062	0,050	0,13	0,048 1,04	0,047 1,06
Угол внутреннего трения: (коэффициент надежности)	град.	13	15	24	20	0,14	19 1,06	18 1,12
Модуль деформации:	МПа	13	14	30	20	0,23

На камеральном этапе выполняется инженерно-геологическая модель среды под проектируемыми зданиями и сооружениями, составляются рекомендации по их строительству и эксплуатации.

Заключение

Междуречье р. Камы и нижнего течения р. Белой является густонаселенной территорией, развитой в экономическом отношении, что сопровождается интенсивным строительством промышленных сооружений, а также жилых домов и общественных зданий. Инженерно-геологические изыскания выявляют особенности строения верхнего слоя земной коры на участках строительства, обеспечивая долговечность объектов и безопасность в процессе их эксплуатации. Геология района представлена осадочными горными породами четвертичного периода, неогена и второй половины палеозоя. Ближе к земной поверхности залегают пески и глины, ниже – известняки, доломиты, алевролиты, аргиллиты, местами – ангидриты и песчаники. Проявления карстовых процессов отсутствуют, что позволяет осуществлять строительство и эксплуатация зданий и сооружений без каких-либо ограничений. В силу вышеприведенного, междуречье р. Камы и нижнего течения р. Белой можно отнести к перспективным в плане строительства территориям.