Условий Западно-Сибирской плиты и их учет при освоении территории

Инженерно-геологические условия являются, как известно, многофакторной, изменяющейся во времени и пространстве системой. Они создаются естественным для данного времени сочетанием региональных геологических и зонально-геологических факторов, рассмотренных выше. Анализ их морфологической выраженности, пространственной изменчивости и обусловленности дает возможность оценить основные особенности инженерно-геологических условий региона и главнейшие черты их пространственной изменчивости.

1. Чрезвычайно широкое развитие в зоне активного влияния наземных промышленных, гражданских, мелиоративных, дорожных и других наземных инженерных сооружений позднекайнозойских, главным образом верхнеплиоцен-четвертичных и особенно четвертичных пород различного генезиса, представленных в основном песчаными, глинистыми, лессовыми и торфяными образованиями. Все они являются грунтами одного класса–класса пород без жестких структурных связей.

Разрез подавляющего большинства формаций и геолого-генети-ческих комплексов отложений новейшего структурного этажа представлен переслаиванием различных по дисперсности песчаных и глинистых пород. Покров лессовых пород, развитый на отложениях различного возраста и генезиса, очень широко распространен в южных районах плиты, хотя отдельные, достаточно крупные массивы лессовых пород, приуроченные к хорошо дренированным приречным участкам, встречаются и в центральной части территории. Торфяные грунты, чрезвычайно широко распространенные в северной и центральной частях региона и занимающие сотни тысяч квадратных километров, развиты на всех геоморфологических уровнях (начиная от древних междуречных равнин и кончая поймами рек). Все эти достаточно молодые породы пережили лишь первые стадии литогенеза. Именно поэтому они в подавляющем большинстве случаев обладают низкой или невысокой несущей способностью и являются повышенно сжимаемыми или нередко даже сильно сжимаемыми грунтами, свойства которых резко изменяются в зависимости от степени их увлажнения и фазового состояния влаги в них. Более древние отложения (юрские, меловые, палеоценовые и эоценовые), характеризующиеся более благоприятными инженерно-геологи-ческими особенностями (в частности, меньшей сжимаемостью и большей прочностью), имеют важное инженерно-геологическое значение лишь в юго-западных и юго-восточных районах плиты близ границ с палеозойским обрамлением.

2. Большое разнообразие современного состояния и как следствие этого свойств пород самой верхней части разреза в разных районах плиты. Так, в северной ее половине чрезвычайно широко распространены многолетнемерзлые породы большой мощности, среднегодовые температуры которых увеличиваются от -8 – -10^оС на самом севере Ямала и Гыдана до 0 – -1^оС на широте Сибирских Увалов и южнее. В центральной части плиты развиты главным образом слабые сильно увлажненные, насыщенные водой или даже переувлажненные породы (консистенция глинистых пород чаще всего мягкопластичная или даже скрытотекучая и лишь на хорошо дренированных участках непосредственно вдоль рек отмечаются полутвердые или очень редко твердые разности). В южных районах региона развиты умеренно и слабоувлажненные грунты; в этой части плиты широко распространены засоленные и просадочные грунты.

3. Равнинный, в целом слаборасчлененный аккумулятивный или в меньшей степени денудационный рельеф, наличие хорошо разработанных широких речных долин. Абсолютные отметки современного рельефа изменяются весьма постепенно. В целом они колеблются от 0-10мблиз побережья Северного Ледовитого океана до 200–400 м в юго-западной, южной и юго-восточной частях плиты. Около 40% ее территории (в основном северные и центральные районы) имеют абсолютные отметки менее 100 м; севернее Сибирских Увалов абсолютные отметки современного рельефа во многих районах на превышают 50 м. Более высокие абсолютные отметки рельефа (до 200–250 м и выше) свойственны внешней зоне Западно-Сибирской плиты. Наиболее приподнятой является юго-восточная часть плиты, примыкающая к Алтае-Саянской горной области.

4. Избыточное атмосферное увлажнение большей части Западно-Сибирской плиты и как следствие этого очень близкое к поверхности залегание пресных грунтовых вод. В северных и центральных районах они часто проявляют общекислотную, а в отдельных случаях выщелачивающую и углекислотную агрессивность к бетонам. На значительной части территории севера региона первый от поверхности горизонт подземных вод существует лишь эпизодически – в теплое время года (надмерзлотные воды). В южных районах плиты глубины залегания подземных вод и общая их минерализация сильно возрастают. Здесь воды часто проявляют значительную и разнообразную агрессивность по отношению к бетонам.

5. Широкое развитие разнообразных, но в то же время достаточно специфичных современных экзогенных геологических процессов и явлений, которые существенно осложняют проведение строительных работ. Одни из них имеют чрезвычайно широкое площадное распространение (например, очень сильная заболоченность территории, морозобойное растрескивание грунтов и способствующий ему полигональный рельеф, термокарст, сезонное промерзание и протаивание грунтов и др.), другие приурочены к участкам различных по возрасту и генезису равнин, прилегающих непосредственно к руслам рек (например, интенсивное развитие боковой и овражной эрозии, оползни и другие склоновые процессы). Особенно большие трудности при проведении строительных работ в центральных и северных районах вызывает и будет вызывать интенсивная заболоченность территории, а на севере, кроме того, еще и широкое развитие криогенных и посткриогенных процессов и явлений.

Естественное для данного времени сочетание этих особенностей обусловливает весьма специфичные и в целом сложные инженерно-геологические условия Западно-Сибирской плиты. Степень их сложности существенно неодинакова в разных частях региона, поскольку каждая из вышеперечисленных особенностей, свойственных всей территории плиты в целом, морфологически неодинаково проявляется в различных ее районах. Особенно большой сложностью и неоднородностью характеризуется инженерно-геологическая обстановка в центральной и северной частях региона. Инженерно-геологические условия южных районов плиты являются существенно более благоприятными. Эта неоднородность инженерно-геологических условий различных частей региона является закономерной. Она обусловлена геологическими причинами, является следствием вполне определенных закономерностей пространственной изменчивости инженерно-геологических условий.

Особенности пространственной изменчивости инженерно-геоло-гических условий определяются закономерностями изменчивости многих геологических параметров, морфологическая выраженность которых связана с историей геологического развития территории и современной ее теплообеспеченностью и увлажненностью. Именно эти две причины обусловливают неоднородность инженерно-геологических условий любого региона, их локальную и региональную изменчивость.

Многие из геологических факторов, суммарное влияние которых в конечном итоге определяет инженерно-геологические особенности местности, имеют четко выраженный широтный характер изменчивости. Это обусловливает широтное изменение всей инженерно-геологической обстановки Западно-Сибирской плиты.

Следует отметить, что широтная зональность инженерно-геологи-ческих условий свойственна в той или иной степени всем крупным структурным зонам земной коры. Наиболее отчетливо она проявляется в пределах платформенных территорий, вытянутых на значительные расстояния с севера на юг, и особенно четко – в пределах молодых платформ, к числу которых относится и Западно-Сибирская плита. Широтное изменение инженерно-геологических условий является неотъемлемой составной частью общей широтной зональности природной обстановки Земли, исходные положения которой были сформулированы более 80 лет назад В.В. Докучаевым.

Широтное изменение инженерно-геологической обстановки является важнейшей особенностью Западно-Сибирской плиты. Оно выражается, как показывает весь вышеприведенный материал, в достаточно закономерном изменении инженерно-геологических условий, роли и морфологической выраженности отдельных факторов, их обусловливающих, от северных районов к южным. Такой характер изменчивости инженерно-геологических условий обусловлен многими естественно-историческими причинами, и в первую очередь историей геологического развития территории в средне- и позднечетвертичное время, климатическими особенностями всего позднего голоцена, а также характером современной теплообеспеченности и увлажненности территории.

Анализ закономерностей широтной изменчивости инженерно-геологических условий в пределах Западно-Сибирской плиты позволяет выделить четыре широтно ориентированные части, названные зонами с резко различной современной инженерно-геологической обстановкой: Заполярной зоны, Северной зоны, Центральной зоны и Южной зоны (рис. 6)

Заполярная зона, охватывающая тундру и северную лесотундру, характеризуется практически сплошным распространением многолетнемерзлых четвертичных пород различного генезиса (морских, ледниково-морских, аллювиальных и др.). Среди них широко распространены как сингенетически, так и эпигенетически промерзшие льдистые и сильнольдистые породы. Среднегодовые температуры их, как правило, изменяются от -2–-4 ^оС до -8–-10^оС, мощность колеблется в основном от 150–200 до 300–400 м. Редкие талики здесь развиты лишь под крупными водотоками и водоемами. Прочность мерзлых грунтов в связи с их низкими температурами довольно высокая и выдержана на больших площадях. Надмерзлотные воды в пределах этой зоны существуют сезонно – лишь в теплое время года, они залегают на глубине 0,2–0,5 м и обычно проявляют общекислотную агрессивность к бетонам. В пределах зоны чрезвычайно широко развиты криогенные процессы и соответствующие им криогенные формы рельефа, а в центральных и южных районах и посткриогенные процессы и явления. Эта зона может быть названа “зоной практически сплошного распространения многолетнемерзлых пород”. Южную ее границу целесообразно проводить по появлению крупных массивов талых с поверхности пород вне акваторий и узких прирусловых частей пойм. Инженерно-геологические условия зоны сложные; типы и конструкции сооружений должны быть приспособлены и надлежащим образом вписаны в условия природной обстановки.

Южнее расположена Северная зона, которую, по-видимому, лучше всего назвать “зоной несплошного (прерывистого) распространения многолетнемерзлых пород”. Ее территория с юга ограничена современной южной границей распространения многолетнемерзлых пород. Эта зона включает большую часть лесотундры, северную и некоторые районы средней тайги и характеризуется сложным взаимным прост-ранственным распространением песчаных, глинистых и торфяных многолетнемерзлых и талых отложений различного генезиса (морские, прибрежно-морские, ледниково-морские, ледниковые, водно-ледниковые, аллювиальные и озерно-болотные), которые слагают различные генетические типы рельефа. Среднегодовая температура пород изменяется от 1–2 до -3–-4^оС, прочность их существенно изменяется на небольших расстояниях. Распространение многолетнемерзлых пород, промерзших в основном эпигенетически, на юге зоны островное, в северном направлении количество и размеры островов возрастают, и постепенно многолетнемерзлые породы начинают преобладать над талыми. В этой части зоны широко распространены участки с несливающейся мерзлотой. Мощность мерзлых пород, залегающих с поверхности, изменяется от 2–10 до 200–300 м. В пределах южной половины зоны в развитии многолетнемерзлых пород (их уничтожении и новообразовании) ведущую роль играет изменение современных физико-географических условий местности. Территория зоны сильно заболочена и заозерена, здесь активно протекают пучинные и посткриогенные процессы, талые породы обычно сильно увлажнены, обладают повышенной сжимаемостью. Надмерзлотные воды и грунтовые воды талых отложений залегают на небольшой глубине. В целом инженерно-геологические условия этой зоны отличаются наибольшей сложностью и разнообразием.

Центральная зона, охватывающая территорию средней и южной тайги, а также лиственных лесов, отличается широким развитием талых и немерзлых сильноувлажненных ледниковых, водно-ледниковых, озер-но-аллювиальных, аллювиальных песчано-глинистых и лессовых, а также озерно-болотных торфяных отложений. Глинистые породы в подавляющем большинстве районов имеют пластичную или часто даже скрытотекучую консистенцию; лишь непосредственно по берегам рек встречаются полутвердые (по консистенции) разности. Грунтовые воды практически везде, за исключением узких приречных территорий, залегают очень неглубоко. Чрезвычайно широко развиты озера и обширнейшие по площади болота. Эрозионные, осыпные и оползневые процессы протекают лишь по берегам крупных рек. Условия проведения изысканий и строительства здесь разнообразны и достаточно сложны. Южную границу этой зоны, которую целесообразно назвать “зоной распространения сильноувлажненных практически незасоленных пород”, следует проводить по северной границе лесостепи.

В пределах Южной зоны, охватывающей лесостепи и степи, широ­ко развиты песчаные, глинистые и лессовые олигоценовые, неогеновые и четвертичные отложения различного генезиса и аллювиальные обра­зования современных речных долин. Глинистые и лессовые породы в верхней части разреза этих комплексов имеют преимущественно тугопластичную, полутвердую или твердую консистенцию. Несущая способ­ность их намного выше по сравнению с более северной зоной. Породы местами сильно засолены, содержат большое количество карбонатов. Грунтовые воды залегают здесь на сравнительно большой глубине; во многих районах они имеют пеструю агрессивность по отношению к бетону. Лессовые породы часто просадочные. Территория отличается большой сухостью, болота встречаются редко, рельеф достаточно плос­кий, очень слаборасчлененный. Условия изыскания и строительства в пределах этой зоны, которую целесообразно назвать “зоной распро­странения слабо- и умеренно увлажненных, часто засоленных пород” достаточно благоприятные.

Выделенные инженерно-геологические зоны отличаются друг от друга, во-первых, по мерзлотно-гидрогеологическим особенностям и как следствие этого по состоянию и свойствам пород верхней, наиболее важной с инженерно-геологической точки зрения части разреза, и во-вторых, по комплексу современных экзогенных геологических процессов и явлений, осложняющих строительное освоение территории. Все это свидетельствует о достаточно резком различии инженерно-гео­логической обстановки в их пределах, указывает на необходимость их учета при инженерно-геологических изысканиях и освоении территории.

Общие закономерности широтной изменчивости инженерно-геологических условий должны учитываться (и уже учитываются) при про­ведении инженерно-геологических изысканий, строительстве и экс­плуатации всех видов инженерных сооружений. Это обусловлено тем, что глубокое различие инженерно-геологической обстановки каждой из выделенных зон неизбежно влечет за собой необходимость решения различных задач в процессе инженерно-геологических исследований и изысканий, применения различных методов их проведения, а также различных методов проведения строительства и эксплуатации соору­жений. Необходимо отметить следующее.

В пределах Заполярной зоны, которая характеризуется практически сплошным по площади и по разрезу распространением мощных, достаточно прочных (вследствие небольшого количества незамерзшей воды) низкотемпературных (от -3°С до -3–-10°С) многолетнемерзлых толщ, инженерно-геологические условия сложные. Строительство наземных сооружений должно вестись по принципу сохранения мерзлого состояния грунтов в основании сооружений, причем проектирование оснований и фундаментов зданий и сооружений должно выполняться в полном соответствии с требованиями СНиП 2.02.04–89.

В процессе инженерно-геологических исследований в этой части Западно-Сибирской плиты основная роль принадлежит геокриологическим работам, т.е. исследования становятся, по существу, мерзлотно-инженерно-геологическими. Весь цикл исследований должен быть направлен на изучение и картирование современной инженерно-геологической обстановки (особенно мерзлотных ее параметров) и составление прогноза ее изменения в процессе хозяйственного освоения территории, причем роль прогнозной части исследований закономерно возрастает по мере увеличения масштаба исследований. Инженерно-геологические исследования представляют сложный комплекс работ, который проводится в соответствии с требованиями СП11–105–97. В этой части севера плиты в процессе инженерно-геологических изысканий особенно большое внимание должно быть уделено изучению криогенного строения мерзлых толщ с целью поисков участков, сложенных слабольдистыми породами, как наиболее благоприятных по условиям проведения строительства. В северных и западных районах полуострова Ямал и на севере Гыданского полуострова важно изучение степени засоленности средне- и позднечетвертичных морских пород, слагающих лайду, морские равнины и террасы. Кроме того, непосредственно в приморской части этих полуостровов существенное внимание должно быть уделено изучению мощности многолетнемерзлых толщ, так как в этих районах лайды и в устьях рек встречаются маломощные мерзлые толщи, подстилаемые охлажденными породами, насыщенными солеными водами. Следует также заметить, что при строительном освоении территории этой зоны необходимо обращать самое серьезное внимание на прокладку и обустройство дорог, так как нарушение растительного покрова на склонах или прилегающих к ним участках из-за нерегулируемого движения транспорта приводит в южной половине зоны, а также в более южных районах плиты к быстрому развитию термокарста, солифлюкции, оврагов и других процессов.

В Северной зоне, которой свойственно сложное пространственное распространение талых и многолетнемерзлых толщ различного состава и состояния, инженерно-геологические условия отличаются наибольшей сложностью и наибольшим разнообразием. Здесь строительство лучше всего вести на участках развития талых грунтов (со строгим соблюдением условий, препятствующих образованию многолетнемерзлых пород). Такие участки на севере обычно расположены на залесенных, хорошо дренированных террасах, сложенных песками, и примыкающих непосредственно к руслам крупных рек. Их количество и размеры довольно резко возрастают при продвижении от северной границы зоны к югу, где они широко развиты, и на междуречьях. При необходимости строительства населенных пунктов или других объектов на участках развития многолетнемерзлых пород в период изысканий самое серьезное внимание должно быть обращено на изучение их среднегодовых температур и криогенного строения. Только на основе этого может быть решен вопрос о выборе принципа возможного использования мерзлых толщ в качестве оснований зданий, сооружений. При высоких среднегодовых температурах многолетнемерзлых пород (0–-1,5^оС) целесообразно проводить предпостроечное протаивание мерзлых грунтов, что можно осуществить путем уничтожения мохового и торфяного слоя (минерализация грунтов) в этих районах.

Одной из важнейших задач инженерно-геологических исследований в пределах этой зоны является площадное картирование многолетнемерзлых и талых отложений и районов с несливающейся мерзлотой. Изучение криогенного строения здесь столь же важно, как и на севере, а исследование температурного режима мерзлых и талых толщ проводится гораздо детальнее и по большому количеству горных выработок. Следует подчеркнуть, что криогенное строение многолетнемерзлых пород зависит не только от литологии пород, строения толщ и их генезиса (как на севере плиты), но и от характера расчлененности территории. Изучение характера заболоченности территории, глубины залегания и агрессивности подземных вод, плывунных свойств водонасыщенных песчаных и глинистых пород, деформационных и прочностных характеристик талых и немерзлых грунтов – задачи, которые необходимо решить в процессе инженерно-геологических исследований. Особо стоит еще раз подчеркнуть очень важную роль прогноза изменения инженерно-геологических условий при хозяйственном освоении территории этой зоны, поскольку в ее пределах могут происходить явления деградации мерзлоты, сопровождаемые интенсивным развитием термокарста, и явления ее новообразования.

В пределах границ Центральной зоны, которая характеризуется очень сильной заболоченностью, большой влажностью минеральных и органогенных грунтов, часто проявляющих плывунные свойства, и близким к поверхности залеганием грунтовых вод, условия проведения изысканий и строительства достаточно сложны и разнообразны. Наиболее удобными территориями для строительства, которое на значительной части зоны должно проводиться с учетом возможности новообразования многолетнемерзлых пород при освоении, являются участки террас и междуречных равнин, прилегающих к руслам рек и характеризующиеся хорошей дренированностью. На склонах многих таких участков развиты крупные оползни, а при снятии естественного растительного покрова интенсивно развивается эрозия. Поэтому эти вопросы должны быть в известной степени оценены геологами. При изысканиях под все виды строительства, особенно под линейные сооружения, наряду с другими вопросами огромное внимание должно быть уделено картированию болот и оценке свойств болотных отложений. Особо следует подчеркнуть необходимость проведения температурных измерений на специальных площадках с различным характером растительного и других поверхностных покровов и в скважинах, проходимых при инженерно-геологических исследованиях для составления прогноза изменения природных условий этой территории в процессе проведения строительства. В южных районах этой зоны, где развиты лессовые породы, необходимо изучение просадочных свойств.

Южная зона характеризуется наиболее благоприятными условиями строительства и проведения изысканий. В процессе исследований в ее пределах серьезное внимание должно быть обращено на агрессивные свойства подземных вод и грунтов, а также на установление основных закономерностей изменчивости просадочных свойств лессовых толщ по площади и в разрезе в соответствии с требованиями СП11–105–97.

Весь вышеприведенный материал показывает, что широтный характер изменчивости инженерно-геологической обстановки Западно-Сибирской плиты, причинно обусловленный и хорошо выраженный, должен обязательно учитываться при общей оценке ее территории, при разработке региональных норм и технических указаний на изыскания, строительных норм и правил и других материалов, а также при инженерно-геологическом районировании территории. Поэтому вопрос о выделении инженерно-геологических зон имеет не только теоретическое, но и глубокое практическое значение.