Ключевые слова: грунты, инженерно-геологическая оценка, физико-механические свойства, суглинок, инженерно-геологическое районирование, супесь, глина.
кандидат географических наук, доцент, кафедра физической и социально-экономической географии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева», г. Саранск
runckov.s@yandex.ru
Маметьева Дарья Андреевна
магистрант, кафедра физической и социально-экономической географии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева», г. Саранск
mdasha9960@gmail.com
Темпы роста Республики Мордовия в XXI веке определяют не только активное строительство в современных его границах, но и освоение новых обширных территорий. Научно-технический прогресс, интенсивное развитие народного хозяйства и производительных сил сопровождаются ростом промышленного, гражданского и культурно-бытового строительства с формированием системы функциональных центров.
В процессе инженерно-географических исследований данные о физико-географической обстановке, климате, растительности, животном мире, об опыте строительства и эксплуатации сооружений представляют исключительную важность для оценки свойств геологической среды.
Взаимодействие геологической среды с другими средами проявляется в форме экзогенных геологических процессов. Для изучения этих процессов нужно знать, где, с какой интенсивностью и как литологическая система взаимодействует с элементами других систем. Знание набора взаимодействий, интенсивности и вклада каждого взаимодействия, характера и скорости изменения отношений, свойств и структуры геологической среды, обусловленных взаимодействиями с другими средами, дает надежную основу для понимания экзогенных геологических процессов и их количественного прогноза. Все данные о свойствах других сред также используются для решения ряда вопросов, возникающих при планировании и проектировании сооружений (например, обоснование возможности и целесообразности строительства сооружений на данной территории с учетом экологического, экономического и других критериев эффективности).
Грунты – это любые горные породы и почвы, которые изучаются как многокомпонентные системы, находящиеся под воздействием инженерной деятельности человека. В зависимости от наличия составляющих в единице объема грунта предлагается различать следующие схемы строения грунтов:
а) двухкомпонентная (скелет грунта и гравийно-галечниковые включения); газ, как не влияющий в данном случае на механические свойства грунтов, не учитывается;
б) трехкомпонентная (скелет, вода и гравийно-галечниковые включения);
в) четырехкомпонентная (скелет, вода, газ и гравийно-галечниковые включения).
Вид грунта – важный фактор, на который следует обратить внимание в процессе проектирования любой постройки. Для определения его свойств проводятся инженерно-геологические изыскания. Провести данные работы можно только с привлечением специалистов [2].
Нужно учитывать типы грунтов, которые подразделяются по петрографическому составу (минеральный состав, структурно-текстурные связи) и их классификацию, включающую шесть таксономических единиц [3].
Физико-механические свойства грунта оказывают большое влияние на выбор типа фундамента. Кроме того, результаты инженерно-геологических изысканий помогут определиться, какие локальные очистные сооружения лучше всего установить на участке.
Скальные почвы, например, обладают самой большой несущей способностью. Благодаря своей прочности, они не размываются и не подвергаются морозному расширению.
Крупнообломочные почвы – также отличное основание для фундамента. В эту группу входят галька, гравий, щебень и обломки камней. Их несущая способность повышается, если они лежат плотным слоем. Они практически не подвержены сжатию, вспучиванию и размыванию.
Во время строительства сооружения изменяются естественные геологические условия территории. При всём этом на грунты влияют различные процессы – от замачивания при подтоплении территории до различных динамических нагрузок, к примеру, вибрация от движения транспорта [3].
Быстро протекающие геологические процессы в малой степени изменяют рельеф, поэтому предсказать их достаточно проблематично.Для этого на участке строительства в первую очередь необходимо учесть возможность проявления тех или иных опасных геологических процессов. Всё это необходимо для систематизации выявления опасных природных зон, чтобы избежать в них строительство крупных сооружений.
Категория сложности инженерно-геологических условий включает геоморфологические, геологические, геотехнические, гидрогеологические, природные факторы, техногенные процессы, специфические и структурно-неустойчивые грунты [3]. Эти категории исходят из характера и интенсивности экзогенных процессов [4]. Среди них выделяют: морозное пучение (рис. 1), неравномерные осадки, суффозия, карст, оползни, подтопление территории.
Рис. 1. Морозное пучение грунта
Морозное пучение характерно для глинистых грунтов. В таких грунтах практически всегда присутствует вода. Она при замерзании расширяет объемный вес грунта, который в свою очередь воздействует на фундамент постройки, выдавливая его.
Чтобы избежать неблагоприятных последствий, в таких грунтах фундаменты сооружений углубляют ниже уровня сезонного промерзания или используют песчаную подушку, которая хорошо фильтрует воду, и процессу пучения не подвержена.
Суффозия – механический вынос нерастворимых частиц грунта, происходящий при движении грунтовых вод к местам их разгрузки и к поглощающим воды трещинам в подстилающих породах. При суффозии образуются западины в форме блюдец и воронок. Размеры их невелики, но, соединяясь, они могут привести к образованию более обширных понижений, особенно на склонах, где при их участии образуются суффозионные цирки. Кроме того, при участии суффозии на склонах часто образуются оползни.
Карст – это совокупность процессов, форм рельефа и особенностей гидрографии в областях распространения растворимых и водопроницаемых горных пород. При развитии карста растворение породы происходит на поверхности и на глубине. Наглядно рельефообразующая роль воды видна при развитии так называемого обнаженного карста, когда растворимая порода выступает на поверхности Земли (рис. 2). При покрытом карсте на поверхности растворимой породы лежит слой наносов, который маскирует образующиеся на ней мелкие карстовые формы.
Рис. 2. Проявление карстовых процессов на правом склоне р. Мокши
Оползни своей природе обязаны силе тяжести. В этом случае нижний слой является глинистым грунтом и в контакте с водой выступает в виде смазки. Глинистый грунт имеет малую степень фильтрации, поэтому вода нижней границы слоя не уходит, а задерживается. Если вместо глинистого грунта под склоном есть песчаная подушка, то оползневое движение невозможно, за исключением большого водонасыщения [1, 6, 7]. Оползни, несущее большое количество мелкозёма и обломков породы, могут оставить на поверхности скольжения следы в виде царапин и борозд (рис. 3).
Рис. 3. Оползневые процессы на Никитском карьере в г. Саранске
На территории Мордовии можно выделить три основных вида человеческой деятельности, в той или иной степени видоизменяющие формы рельефа – инженерно-строительная, горнотехническая и сельскохозяйственная. Здесь широко развиты экзогенные геологические процессы – карст, оползни, суффозия, речная и овражная эрозия, подтопление и заболачивание.
Суффозионно-карстовые проявления в виде провалов, оседаний, воронок, западин, впадин на земной поверхности прослеживаются вдоль долин многих рек.
Карстовым процессом поражена значительная территория в западной и центральной части Мордовия. Карстовый процесс встречается в западной и центральной частях Мордовии. При этом опасность представляет не сам карст, а суффозия, которая с ним связана.
Карст на территории Мордовии распространен в местах выхода карбонатных пород – известняков, доломитов и других. Карстовые формы рельефа представлены, как правило, незначительными по размерам понижениями (воронки, пещеры, полости) и повышениями (останцы). В рельефе эти процессы выражаются в основном в виде западин и котловин, редко отмечаются провальные воронки.
В центральной и северо-западной частях республики (Ельниковский, Темниковский и Краснослободский районы) карст развивается в карбонатной толще верхнекаменноугольных отложений, представленных преимущественно известняками, в меньшей мере – доломитами. Известняки здесь залегают на глубинах до 95 м. Наименьшие глубины залегания их приурочены к долине р. Мокши и составляют в среднем 15–20 м.
Наиболее распространены поверхностные проявления доломитово-известнякового карста в Темниковском, Ельниковском и Краснослободском районах. Здесь они распространены на обширной территории эрозионно-аккумулятивной и аллювиально-флювиогляциальной равнины и в современных речных долинах Мокши, Сатиса, Саровки, Урката, Вармы, Урея, Сивини.
На территории Мордовии отмечаются благоприятные условия для образования карста, хотя в истории республики серьезных его проявлений зарегистрировано не было. Однако это не дает нам право не отнести этот процесс к числу опасных инженерно-геологических процессов, в отношении которых необходимо проведение мониторинга.
В качестве противокарстовых мероприятий в различных комбинациях на территории Мордовии должны применяться:
– архитектурно-планировочные решения, обеспечивающие рациональное использование закарстованных территорий и оптимизацию затрат на противокарстовые мероприятия;
– водорегулирующие и противофильтрационные противокарстовые мероприятия, которые должны обеспечить предотвращение суффозионных явлений как в период строительства, так и во время эксплуатации объектов;
–геотехнические и конструктивные мероприятия в качестве мероприятий локальной защиты отдельных зданий и сооружений. К таким мероприятиям относятся: заполнение карстовых полостей, каверн, трещин (растворами-цементами, глинисто-силикатными, цементно-песчаными).
Ещё одним неблагоприятным явлением для Мордовии является подтопляемость территории. Территорию республики, которая попадает в зону уровня грунтовых вод до 0,0–2,5 м, обязательно нужно считать подтопляемой, поскольку прогнозируемый уровень высоких вод с течением времени, и не обязательно в весенний период, может подняться и образовать так называемые верховодки. К числу потенциально подтопленных можно отнести территории, которые попадает в зону уровня грунтовых вод 2,5–5,0 м. Зона уровня грунтовых вод ниже 5 метров требует специальных прогнозов и расчётов. Все подобные территории также должны подвергаться мониторингу.
Оползневые процессы прослеживаются на большей части территории Республики Мордовия. Они приурочены, чаще всего, к районам близкого залегания кровли коренных отложений и к участкам с повышенной крутизной склонов. Наиболее известные и обширные оползни отмечены в бассейне р. Мокша.
Значительные оползневые участки выявлены южнее с. Теньгушево (протяженность около 3 км), между селами Стародевичье и Тештелим Ельниковского района (площадь около 30 км2), левобережный склон р. Мокша в городской черте г. Краснослободска, в Краснослободском районе между селами Тенишево и Шаверки (протяженность 4 км), в Ковылкинском районе у д. Барки (протяженность 3,5 км) [5].
Оползни развиты в районах близкого залегания кровли коренных отложений и при повышенной крутизне склонов. К таким районам относятся левобережье р. Мокши, междуречье Мокши и Инсара, Иссы и Мокши, Пьяны и Алатыря, Алатыря и Суры. Оползни осложняют склоны многих долин, а также отмечаются в бортах крупных оврагов. Развиты преимущественно оползни небольших размеров, мощность оползших тел большей частью достигает до 5 м, у наиболее крупных оползней – до 10–12 м. Оползни наносят значительный ущерб хозяйству республики и поэтому изучены лучше, чем другие процессы.
В последние десятилетия активизация оползневых процессов привела в ряде случаев к разрушительным последствиям (г. Саранск, г. Краснослободск, г. Ардатов, с. Подгорное Канаково, с. Булгаково, пос. Ялга, пос. Тургенево и др.).
Особо значительную роль в возникновении оползневых смещений имеют техногенные воздействия. Практически в каждом случае оползания на территории Мордовии отмечается сочетание деформаций вязкопластического течения и сдвига (рис. 4).
Рис. 4. Оползень в г. Краснослободске
Оползни отмечены на склонах голоценового и верхнечетвертичного возраста, приурочены они к элювию глинистых нижнемеловых пород и к перекрывающим четвертичным склоновым и насыпным отложениям. Эти явления в большинстве случаев возникают при наличии техногенных воздействий – техногенного обводнения склоновых накоплений, отсыпка грунта, искусственное нарушение стока поверхностных вод. Однако появление вязкопластических смещений может вызываться и природными факторами – преимущественно под влиянием повышения уровня или разгрузки подземных вод на склонах.
Опасные геологические процессы наносят ущерб экономике Мордовии и в ряде случаев приводят к разрушительным последствиям. Из-за оползней, эрозии, подтопления территории страдают и находятся под угрозой разрушения промышленные объекты и жилые постройки во многих городах республики – Саранске, Краснослободске, Ардатове, Темникове.
В нашей республике строительство в основном развито в городах-лидерах – Саранске и Рузаевке. Контрастность рельефа меняется из-за застроек, за счёт выравнивания площадок или засыпке понижений на участках строительства.
Инженерно-геологическое районирование проводится по определенным принципам, без которых было бы невозможно сравнить и оценить все разнообразие инженерно-геологических условий различных территорий. Выделять инженерно-геологические области в пределах одного региона стоит по геоморфологическим признакам.
В основу инженерно-геологического районирования Мордовии положены структурно-тектонический, геоморфологический и литологический признаки.
В структурно-тектоническом отношении территория Мордовии входит в пределы Волжско-Камской антеклизы.
Территория Республики Мордовия подразделяется на две области:
– область денудационной равнины позднеплейстоценового возраста,
– область денудационной равнины олигоценового возраста.
Область денудационной равнины позднеплейстоценового возраста расположена в центральной и западной частях Мордовии и приурочена к формации донского оледенения (рис. 5).
Рис. 5. Денудационная равнина позднеплейстоценового возраста
Поверхность представляет собой полого понижающуюся на запад равнину с абсолютными отметками от 240 м на востоке и на юге, и до 90 м на западе.
Область денудационной равнины олигоценового возраста расположена в юго-восточной части Мордовии и приурочена к внеледниковой формации (рис. 6).
Долины рек развиты слабо, за исключением р. Суры, имеющей плохо расчлененные оглаженные надпойменные террасы.
В области денудационной равнины олигоценового возраста современные геологические процессы проявляются в виде интенсивного оврагообразования в хорошо размываемых лессовидных суглинках левобережья р. Суры, абразии, оползней, карста, эоловых процессов и заболачивания. Для области в целом характерна большая площадь распространения выходов коренных отложений (опок, мела, мергеля, мергеле-и мелоподобных глин.)
Поверхность холмистая, осложнена оврагами и балками. Базис эрозии составляет 210 м (максимальная абсолютная отметка в районе р. п. Чамзинка 330 м, урез воды в р. Суре – 100 м (рис. 6).
Рис. 6. Область денудационной равнины олигоценового возраста
В результате исследований была изучена география грунтов, их свойства и влияние на хозяйственную деятельность. Собраны и проанализированы данные о физико-географической обстановке на территории Мордовии и опыте строительства и эксплуатации сооружений, сделаны выводы о влиянии грунтов на территории республики Мордовия на постройку инженерно-технических сооружений.
На территории Мордовии в геологическом строении принимают участие каменноугольные, мезозойские – юрские и меловые, пермские, а также четвертичные отложения.
Лабораторные исследования показывают, что сильных различий в физико-механическом составе грунта не наблюдается. Также была выявлена взаимосвязь между влажностью и местоположением объекта, стороной света и местоположением объекта.
В разных частях Мордовии грунты отличаются по генезису и физико-механическим свойствам.
Можно сказать, что все грунты пригодны для строительства, если придерживаться правил и различных мероприятий, по осушению грунта, по пучинности и т. д.
На территории Республики Мордовия широко развиты экзогенные геологические процессы: карст, оползни, суффозия, речная и овражная эрозия, подтопление и заболачивание.
Геологические процессы наносят значительный ущерб народному хозяйству Мордовии, в ряде случаев приводят к разрушительным последствиям. Вследствие активизации оползней, подтопления, боковой речной эрозии разрушены или находятся под угрозой разрушения жилые здания и промышленные объекты.
Грунт может изменяться под действием динамических нагрузок. Любые колебательные движения, которые проявляются в городских условиях, в большей степени влияют на грунт как основу фундамента зданий и сооружений.
На песок с различным заполнителем, щебень, гальку динамические нагрузки действуют в большей степени, нежели статические нагрузки. При статической нагрузке такие грунты практически не уплотняются. При динамической нагрузке, даже в малых количествах, проявляют значительную просадку.
Все указанные явления зависят от многих факторов, формы рельефа, характера заполнителя в песчаных грунтах, от состояния влажности, и частоты колебаний нагрузок.
Такая оценка проводится непосредственно по отношению к рельефу проектируемого здания или сооружения, с учетом временных деформаций в грунтах, типа фундамента, глубины залегания.
Изменчивость сжимаемости грунтов как оснований сооружений оценивают в полевых и лабораторных условиях. В полевых условиях проводятся штамповые испытания, а в лабораторных – исследования на компрессию. В результате исследования усредненное значение, то есть модуль деформации, показывает степень изменчивости сжимаемости грунтов.
Для обеспечения хозяйственной деятельности необходимо своевременно выявить ошибки в расчетах, провести ряд соответствующих мероприятий, чтобы не допустить возникновения опасных процессов, как природных, так и техногенных.
Проблемы устойчивости территорий, под которые отведено жилищно-коммунальное строительство, тесным образом связаны с процессами, происходящими в недрах Земли. Наибольшую опасность для городских и промышленных районов представляют: опускание территорий, подтопление, вследствие влияния подземных и грунтовых вод, карстово-суффозионные и карстовые провалы, геологический и геохимический риски и другие явления.
Таким образом, грунты могут оказывать решающее влияние на хозяйственную деятельность, и это предполагает их глубокое, тщательное и всестороннее изучение.
Список использованных источников
1. Белов А. А. Развитие опасных экзогенных процессов на территории Республики Мордовия // Вестник Мордовского университета. 2014. Т. 25. № 2. С. 132–138.
2. Винокуров Е. Ф. Строительные свойства моренных грунтов / Академия наук БССР. Институт строительства и архитектуры. Минск : Юформ, 1962. 126 с.
3. Воронов А. А., Мирсаяпов И. Т. Расчет фундаментов мелкого заложения : учеб.пособие. Казань : КГАСУ, 2015. 93 с.
4. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии) : учеб.-метод. пособие. Саранск : [б. и.]. 2017. 416 с.
5. Дмитриев В. И., Разумова К. В. Геологическое строение и гидрогеологические условия междуречья Мокши и Иссы: геологические исследования. Саранск : [б. и.], 1999. 93 с.
6. Рунков С. И. Палеогеографические условия формирования неоплейстоценовых ледниковых отложений на территории Мордовии: монография. Саранск : [б. и.], 2013. 120 с.
7. Рунков С. И. Палеогеография : учеб. пособие. Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2020. 256 с.
Runkov Sergey
PhD in Geography, associate Professor, Department of physical and socio-economic geography, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «National Research Ogarev Mordovia State University», Saransk
Mametyeva Darya
master’s Student, Department of Physical and Socio-Economic Geography, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «National Research Ogarev Mordovia State University», Saransk
ENGINEERING AND GEOGRAPHICAL ASSESSMENT
OF SOIL INFLUENCES ON ECONOMIC ACTIVITY
IN THE TERRITORY OF REPUBLIC OF MORDOVIA
Abstract: The article gives an engineering and geographical assessment of the soil impact degree on economic activity in the territory of Mordovia. As a result of the study, the main patterns of the spatio-temporal distribution of hazardous geological processes and phenomena are revealed.
Keywords: soils, engineering and geological assessment, physical and mechanical properties, loam, engineering and geological zoning, sandy loam, clay.
© АНО СНОЛД «Партнёр», 2021
© Рунков С. И., 2021
© Маметьева Д. А., 2021