Инженерно-геологическое строение территории Карелии

Изучение геологических условий Карелии имеет почти двухвековую давность, но систематическое изучение инженерно-геологических условий началась с 1930 года.

Четвертичный период (Q) – самый молодой (продолжительность около 1 млн. лет), то есть отложения являются новейшими по времени образованиями (молодые) и характеризуются рядом особенностей. Данный период характеризуется установлением ледникового режима, охватывающего значительные площади материков северного и, отчасти, южного полушария, прерывавшегося более теплыми (несколькими) межледниковыми эпохами. В целом для четвертичного периода на территории Карелии характерно:

1. Периодические колебания климата – чередование эпох потеплений и похолоданий, поэтому ведущая роль в формировании инженерно-геологических условий принадлежит экзогенным процессам (экзодинамики);

2. Наличие нескольких (4-6) материковых оледенений, в связи с этим образование большого количества и разновидностей ледниковых отложений (на площади равной 72%)

   • собственно ледниковых (4-6 толщ морен qQ [на площади около 60%]);

   • водно-ледниковых (флювиогляциальных fqQ и озерно-ледниковых lqQ отложений [на площади около 12%]);

3. Формирование современного рельефа и современной географической среды;

4. Большое разнообразие отложений (грунтов) по генезису (более 200 видов и разновидностей) на коротких расстояниях и глубине (рыхлые, недоуплотненные, водонасыщенные), легкоподдающиеся изменению (разрушению);

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

6. Морские (молодые) образования имеют подчиненное значение (прибрежные зоны (глубиной 30-40 м) Белого моря – йольдиевые глины);

7. Четвертичные отложения являются главным вместилищем чистых пресных вод;

8. Появление человека, а в последствии и интенсивных техногенных явлений и процессов.

Четвертичная система на территории Карелии представлена отложениями верхнего, среднего и нижнего звеньев плейстоцена (Q_III, Q_II, Q_I) и современными (Q_IV) (голоценовое звено) (рис. 4.3, табл. 4.2). Четвертичные отложения залегают преимущественно на скальных породах архея (AR) и протерозоя (PR). Лишь в юго-восточной части в основании четвертичных отложениях залегают породы палеозоя (Pz). Средняя мощность четвертичных отложений на большей части территории Карелии составляет 3-8 м и мене. Они часто прерываются выходами скальных пород на дневную поверхность (площадь около 3%). Большие мощности четвертичных отложений находятся в южной и южно-восточной части Карелии – 40-120 и до 170 м. Четвертичные отложения часто насыщены водой, так как они заполняют депрессии.

В геологическом строении Карелии в зоне фундирования принимают участие древние (AR, PR₃) скальные (магматические, метаморфические и частично осадочные прочносцементированные) породы (3%) и природные дисперсные грунты (верхнечетвертичные отложения) (97%).

В четвертичный период территория была покрыта периодическими оледенениями. За время оледенений Балтийский щит испытывал значительные опускания вследствие значительной нагрузки от ледников, и компенсационные поднятия в периоды таяния ледников. В результате тектогенеза почти повсеместно в скальных породах встречаются различные разрывные нарушения на глубину до 400 м: сбросы, горсты, грабены, наличие которых обусловило резко пересеченный рельеф кристаллических массивов. Крутизна склонов может достигать 90.

Вследствие своей устойчивости по отношению к процессам физического выветривания, характерного для данной климатической зоны, выходы скальных грунтов, как правило, занимают повышенные участки рельефа, образуя гряды, уступы, бараньи лбы и т.п. Прочность скальных пород довольно высокая – 30-280МПа (коэффициент крепости 8-18 по Протодъяконову) и почти не снижается после насыщения пород водой и замораживания. Геологические процессы и явления, не благоприятные для освоения территорий развития скальных пород, практически отсутствуют. Такие породы являются весьма надежными основаниями для любых зданий и сооружений, однако часто верхняя зона выветривания (элювий е) и обводнена. Основные трудности при строительстве связаны с неровной поверхностью и большими уклонами (до 90) поверхности скалы (перепад относительных превышений кровли может достигать 210 м и более в пределах одного здания) и в связи с этим, значительной неравномерной сжимаемостью основания, возможным соскальзыванием и изгибом забивных (особенно составных) свай, а также необходимостью применения буровзрывных работ. Кроме того, возможны значительные водопротоки по трещинам (трещиноватых и сильнотрещиноватых породах) в строительные котлованы, выемки, карьеры.

Элювиальные отложения представлены скоплениями продуктов физической дезинтеграции скальных (магматических и метаморфических) пород (пыль, дресва, щебень, “разборная скала”).Среди них выделяются крупнообломочно-глыбовые, дресвяно и глинисто-щебенистые образования. Мощность их колеблется от 1-2 до 6-8 м (местами до 15 м). Элювиальные отложения в целом также являются надежными в качестве оснований зданий и сооружений.

Мощность четвертичных отложений очень неравномерна - от 0.2 до 20 м и более (см. рис. 4.4), но для большей части территории составляет 3-8 м (средняя 5...8м). Большие мощности четвертичных отложений (40-120 м и более) установлены в углублениях поверхности дочетвертичных пород в основном в южной Карелии, в которых были благоприятные условия для их накопления и консервации. Здесь в разрезе четвертичной толщи выделяются отложения нижнего (на глубинах 70-120м), среднего и верхнего (Верхневалдайского оледенения) звена плейстоцена и голоценового (современного) звена. На большей части Карелии поверхностные четвертичные отложения в основном представлены грунтами ледникового последнего осташковского оледенения (поздневалдайского) комплекса (72% общей площади) и, в меньшей степени, современными (послеледниковыми) морскими, озерными и торфяно-болотными образованиями, которые часто служат основанием зданий и сооружений.

К основным генетическим типам отложений ледниковой формации Карелии относятся моренные (основные и конечные), потоково-ледниковые (флювиогляциальные) и озерно-ледниковые. На долю морены приходится 60%, на флювиогляциальные и озерно-ледниковые отложения – 12% от общего объема четвертичного покрова.

Моренные отложения имеют наибольшее развитие среди верхнечетвертичных образований и залегают в основном на дочетвертичных (скальных) породах вблизи дневной поверхности (см. рис. 4.4, 4.7, 4.8, 4.10). Мощность отложений колеблется от 0,5 до 60 м. Средняя мощность моренных отложений в северной части Карелии составляет около 5 м, в центральной – 56 м, в южной – 78 м. Характерной особенностью морен является их преимущественно малая мощность и чрезвычайно неравномерное и высокое содержание крупнообломочных фракций ( гальки, гравия, валунов – от 5 до 70 %) и пыли (от 2 до 70%), 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. Преобладающий размер валунов 0,20,5 м. Гравийно-галечный материал в морене по горизонтали и вертикали также распределен крайне неравномерно: на севере он составляет от 25 до 50%, в южных районах от 15 до 40 %.

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.

Мореные отложения (основные) отличаются высокой плотностью ( = 2023 кН/м³) (состав близок к оптимальным смесям) и сопротивлением сдвигу, небольшой деформативностью (Е=2080МПа) и водонепроницаемостью. Однако из-за изменчивости состава (неравномерного распределения крупнообломочных включений по глубине и простиранию), неодинаковой плотности и коэффициента водонасыщения (S_r = 0,41,0) в различных точках сжимаемость морены в пределах даже одного здания неодинакова. Коэффициент изменчивости сжимаемости основания во времени d_E(t) (d_E(t) = E_max/E_min) часто больше 2,5. Эти различия резко усугубляются наличием линз песчано-глинистых образований, нередко встречающихся в толще морены и техногенными факторами (нарушением правил производства работ нулевого цикла, особенно при промерзании-оттаивании с дополнительным увлажнением). При нарушении естественного сложения сжимаемость их увеличивается в 1,5 -2,5 раза и более, сильно повышается пучинистость и основание фундаментов становиться неоднородным (неравномерносжимаемым).

При нарушении естественного сложения морен, особенно супесчаных, воздействии промерзания – оттаивания, увлажнения резко снижается прочность структурных связей.

Морены сравнительно легко уплотняются в искусственных насыпях, способны “залечивать” фильтрующие трещины в подстилающих скальных грунтах и облекать свои откосы естественным панцирем из крупнообломочного материала, предотвращающим дальнейший размыв.

Высокая пылеватость песчаной (до30%), супесчаной (до 40%) и суглинистой (до 73%) морен, даже при сравнительно невысокой влажности (около 12%), способствует миграции влаги при промерзании и соответственно - морозному пучению. При содержании пылеватой фракции 10% и большой влажности величина пучения может достигать 5см/м, а при более 30% и влажности 1620%, величина пучения супесчаной морены достигает 520 см/м промерзания, т.е. относятся к сильнопучинистым грунтам (_fn>0,07).

Характерной чертой моренных отложений является резкое изменение их мощности и отметок кровли (210м) на небольших (3-5м) расстояниях, а также наличие линз и прослоев, отличных по составу от основной породы.

При своем отступлении ледник в Карелии неоднократно осциллировал, оставляя после каждой подвижки гряды конечных морен. Поэтому нередко в толще плотных моренных суглинков и супесей встречаются конечные морены так называемые “слабые” морены, т.е. грунты, находящиеся в мягкопластичном и даже текучем состоянии (Е=3,5-15 мПа).

При вскрытии в котлованах грунты конечной морены легко размокают, теряют несущую способность, проявляют плывунные свойства, склонны к сильному морозному пучению, разжижению.

Конечная морена пользуется незначительным площадным распространением. Однако, в отдельных местах (г. Петрозаводск, п. Эссойла, п. Ледмозеро и др.) она имеет существенное развитие. Мощность ее достигает десятков метров (в районе оз. Святозеро до 60м).

Конечноморенные образования часто содержат глыбы и отторженцы грунтов неледникового происхождения, в том числе – торфов.

Флювиогляциальные отложения fgQ распространены в районах «переживших» олединение (приледниковые и внутриледниковые), главным образом представлены зандровыми (приледниковые) разнозернистыми песками (преимущественно среднеплотными мелко- и среднезернистыми) и песчано-гравийно-галечниковым материалом (озовые грунты). 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 песков не превышает 5-10 м, но чаще составляет 3-5м. Они обычно мало сжимаемы 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 (в основном песчано-гравийно-галечные, реже - мелкие пески и супеси) обладают достаточной несущей способностью, даже в нарушенном состоянии. В Карелии насчитывается более 600 озов. Длина их от сотен метров до десятков километров, высотой от 1 до 40 м. На территории Карелии озы распространены неравномерно. Эти отложения часто используют в качестве заполнителя для бетона, материала для искусственных подушек, строительства дорог. Мощность озовых отложений составляет 8-25 м, иногда 50-60 м и более. Морфология озов Карелии достаточно детально освещена в работах Г.С. Биске, Е.В. Рухиной и др.

Озерно-ледниковые (приледниковые и внутриледниковые) осадки в пределах Карелии имеют локальное развитие по всей территории. Они занимают пониженные участки позднеледникового рельефа (тяготеют к впадиним современных озер).

В южной части Карелии (г. Олонце, г. Сортавале, г. Лахденпохье, г. Питкяранте) широко распространены позднеледниковые (озерно-ледниковые) отложения (локальных и региональных приледниковых озер). Они представлены преимущественно слабыми водонасыщенными “ленточными” глинами, суглинками, реже супесями. Мощность толщи этих грунтов - от нескольких десятков сантиметров до 30 и более метров (достигает 50 м). Грунты этого комплекса залегают на размытой поверхности морены либо на скальных породах докембрия, реже на галечниках или валунных песках. Кровля ленточных глин залегает с поверхности, либо перекрыта современными озерно-болотными отложениями.

Ленточные отложения – своеобразный генетический тип осадков озерно-ледникового комплекса четвертичных отложений. Согласно существующим теориям (К.К. Марков и др.), они отлагались в предледниковых озерных бассейнах за счет привноса глинистого, пылеватого и песчаного материала, талыми ледниковыми водами особенно в период отступления ледника. Такие условия способствовали отложению зимой глинистого, а весной–летом – песчаного состава, образующих годовую ленту. Закономерность изменения механического состава в том, что более крупный материал отлагался ближе к краю ледника, а более мелкий – дальше. Мощность лент менялась (по сезонам года от 3мм до нескольких см): в зависимости от удаления, от края ледника. Текстурные особенности ленточных отложений обуславливают анизотропию их прочностных и деформационных свойств, а также водопроницаемости.

Особенность ленточных отложений - их структурная прочность в естественных условиях. Влажность в природных условиях залегания составляет от 15 до 117% (в среднем от 24% - для супесей и до 62% – для глин), т.е. часто превышает влажность на пределе текучести (находятся в скрыто-текучем состоянии). Поэтому при нарушении структуры глинистых слоев, например при перемятии, разрушаются коллоидные связи, увеличивается количество свободной воды, возникает избыточное увлажнение, и грунты переходят в текучее состояние, т.е. обладают структурной неустойчивостью. Эти грунты являются часто слабыми, сильносжимаемыми (е=0,612,60, Е=117 МПа), легко теряющими несущую способность даже при незначительном нарушении природной структуры, особенно при промерзании-оттаивании. Нормативные и расчетные характеристики озерно-ледниковых грунтов на стадии предварительных расчетов оснований можно принимать по региональным нормам. Для окончательных расчетов оснований и фундаментов необходимо выполнять полевые исследования этих грунтов. Минеральный состав ленточных отложений существенно не отличается от состава морены, развитой в этих же районах.

Повышенное содержание пылеватых частиц (в среднем в глинах 45%, в суглинках 68%) при определенных условиях (W>W_cr) может явиться причиной интенсивного морозного пучения при промерзании. Общая толщина ледяных прослоек может достигать 10-20 см на 1м глубины промерзания, т.е. грунт относятся к сильнопучинистым (_fn > 0,07). Дно котлованов ниже уровня подземных вод в ленточных глинах может вспучиваться (разуплотняется) напорной водой, находящейся в песчаных прослойках. При большом гидродинамическом напоре подземных вод возможен даже прорыв их (грейфоны) в дне глубоких котлованов и даже подвалов.

Ленточные глины весьма чувствительны к воздействию нагрузок ударного и вибрационного типа, при которых происходит разрушение их естественной структуры. Все это сопровождается разуплотнением и разжижением грунта (сопротивление сдвигу уменьшается в 3-7 раз). Значительное нарушение природной структуры грунтов основания происходит также и при откачке воды насосами из котлована (открытый водоотлив) вследствие выноса песчаных и супесчаных частиц ( механическая суффозия). Ленточные глинистые грунты обладают способностью к тиксотропным превращениям. С одной стороны, это выражается в легком переходе в текучее состояние под действием динамических нагрузок, а с другой - в частичном восстановлении своей прочности после прекращения указанного воздействия на них во времени.

В целом ленточные глины и суглинки характеризуются высокой естественной влажностью ( > _L) и пористостью (l > 1,0), пониженной плотностью, сильной и неодинаковой сжимаемостью (неравномерносжимаемые), размокаемостью, низкой прочностью (R < 0,1 МПа), резко уменьшающейся при нарушении естественного сложения. Все это позволяет считать данные грунты слабыми, неравномерносжимаемыми, структурно-неустойчивыми со строительной точки зрения, обращая особое внимание на сохранение природного сложения, не допуская искусственного увлажнения, промерзания, динамических воздействий т.д.

Современные (послеледниковые) образования весьма разнообразны по генезису: морские, озерные, аллювиальные, эллювиально-делювиальные и торфяно-болотные отложения.

Современные озерные отложения (l – IV) занимают значительные площади по побережьям Онежского и Ладожского озер. Они представлены илами (сапропелями) мощностью 4-12 м. Широкое распространение имеют донные осадки многочисленных мелких и средних озер Карелии, а также ныне исчезнувших водоемов, отложения которых погребены под торфом. Они представлены сапропелями, илами, пылеватыми песками, супеси. Их мощность не превышает 6-8 м. В суглинистых толщах переменной мощности в нижних частях отмечаются рассеянные включения растительных остатков, иногда образующих тонкие линзы и прослойки мощностью 2-3 см. Илы представлены совершенно неконсолидированными, водонасыщенными или взвешенными в воде алевролито-пелитовыми образованиями, обогащенными органическим веществом. Следствием принадлежности территории Карелии с огромным количеством водных бассейнов (больших и малых озер свыше 42 тыс., средних и малых рек более 11 тыс.) и региона к зоне избыточного увлажнения является высокая заболоченность.

Торфяно-болотные (биогенные) отложения широко развиты в Карелии, занимая около 30% ее территории. Мощность торфяных залежей (различной степени разложения) доходит до 7-14 м, средняя – 1-2 м.

Под нагрузкой, торф неравномерно и сильно сжимается, поэтому он может служить естественным основанием лишь для легких и малочувствительных к осадкам сооружений. Н.Н. Морарескулом установлено, что торф обладает весьма малым пучением при промерзании (1-2%). 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 Карелии 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): русловый (преимущественно), пойменный и старичный аллювий. Русловый аллювий представлен грубозернистым материалом (крупнообломочные и песчаные грунты) и тонкозернистым (пылеватые пески, супеси, суглинки). Пойменный аллювий представлен пылевато-песчаными и пылевато- глинистыми осадками (супеси, суглинки). В водонасыщенном состоянии мелкие и пылеватые пески обладают плывунными свойствами, сильнопучинистые.

Техногенные отложения tQ_IV имеют заметное распространение в районах ряда центров, в которых размещены крупные предприятия горнодобывающей, целлюлозно-бумажной и деревообрабатывающей промышленностей (г. Петрозаводск, Костомукша, Кондопога, пос. Чупа и др.). Они представлены неодинаковой мощностью разнообразных ископаемых, неиспользованными остатками обработки древесины и др. Значительное скопление древесных остатков (опилки, кора, щепа и др.) известны в близи нижних складов леспромхозов, в которых завершается обработка древесины перед отправкой потребителям. Указанные отложения не могут служить в качестве оснований, т.к. на них развиваются значительные, длительные неравномерные осадки.

Таким образом, инженерно-геологические условия Карелии часто сложные и очень сложные, требующие особого учета при всех видах строительства