ENGINEERING, GEOLOGICAL AND PETROGRAPHIC FEATURES OF ANTHROPOGENIC LAYERS IN THE TERRITORY OF SAMARA

Full Text

Изучение техногенных отложений и древних культурных слоев поселений и городов позволяет получить большой объём информации о первых этапах заселения и использования территории, о которых сохранилось мало письменных источников. Привлечение методов естественных наук, в том числе почвоведения и геологии, дает возможность всесторонне рассмотреть проблемы, с которыми столкнулись люди на начальных этапах освоения территории, и понять пути их решения. Изучение истории изменения геологической среды под воздействием антропогенной деятельности помогает в составлении прогнозов ее развития и возможно в предотвращении геоэкологических проблем. Вопросам изучения техногенных отложений и культурных слоев в настоящее время уделяется большое внимание, но отмечается, что пока не создано их единой классификации, которая бы учитывала разные условия и факторы их образования техногенных отложений, особенности поступления и трансформации техногенного материала и интенсивность техногенного воздействия [1]. Изучение петрографических характеристик образцов из техногенных и культурных слоев позволяет получить информацию, во-первых - о горной породе, ее строении и минеральном составе, во-вторых - об особенностях и степени изменения горной породы при воздействии человека во время функционирования археологического памятника. Кроме того, можно определить какие процессы (природные или антропогенные) привели к аккумуляции и диагенезу осадков (аллювиальные, делювиальные, эоловые, эрозионные, криогенные и др.) [2]. Техногенные отложения - это специфическая генетическая группа современных континентальных образований, происхождение которых связано с практической деятельностью человека [3, 4]. Термин «культурный слой» впервые появился в научных работах археологов, которые использовали его для обозначения слоев или пластов горных пород и почв, имеющих следы деятельности древнего человека и содержащих древние артефакты [1]. Накопление культурных слоев происходит постоянно в процессе жизнедеятельности человека на определенной территории - при производстве земляных работ, строительстве, благоустройстве территории, а также при накоплении мусора. Обсуждение и анализ В Самарской области преобладают техногенные ландшафты, из них на долю агроландшафтов приходится 75,93 %; 6,72 % - урболандшафты, 1,32 % - промышленные, в том числе горно-промышленные ландшафты [5]. На территории Самары можно выделить следующие техногенные отложения (табл. 1). Техногенные отложения встречаются на всей территории Самары, при этом сплошным чехлом покрыта наиболее древняя часть города. На городской территории можно выделить несколько зон: 1) неизменного рельефа, для которой не характерно формирование техногенных отложений; 2) минимального изменения рельефа, где мощность техногенных грунтов не превышает 1 м; 3) максимального изменения рельефа, с мощностью техногенных отложений свыше 5-6 м. Для наиболее старой части Самары характерны максимальное изменение рельефа и наибольшая мощность техногенных отложений. Целью статьи является изучение строения и инженерно-геологических особенностей техногенных отложений и культурных слоев в наиболее древней части Самары, на примерах археологического раскопа на Хлебной площади и материалов технического обследования павильона-кафе на территории речного вокзала. В процессе исследования использованы методы анализа научной литературы, табличный и графический методы. При помощи общепринятых методик проведены исследования под бинокуляроным микроскопом (при увеличении 8,75 крат), в проходящем свете поляризационного микроскопа (при увеличении 72 крат) и под микроскопом USB DIGITAL при увеличении 10 крат. Территория объекта исследования «Старая Самара. Деревянные сооружения, возведенные не позднее середины XIX в.» расположена на Хлебной площади в Самарском районе города Самары (рис. 1). Археологические раскопки данного объекта проводились многократно, начиная с 2013 г., что позволило получить большой объем данных о ранних этапах заселения Самары. Археологические исследования в 2019 г. проводились АО Трансэнергопроект (г. Саратов) на основании открытого листа В.В. Тихонова. В раскопе 2019 г. была вскрыта часть склона второй надпойменной террасы р. Самары. Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 6 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Таблица 1 Классификация техногенных отложений г. Самары Комплекс Т ип Вид Разновидность Насыпные Строительный Грунты современной застройки Суглинки и супеси с включениями строительного материала Грунты дорог и дорожные насыпи Карбонатный щебень, гравий, песок Промышленный Отходы современного производства Шлак, зола Хозяйственнобытовой Грунты современных и бывших кладбищ Суглинки с включениями кирпичной кладки, камней, костей Культурные почвы садов и огородов Суглинки, супеси, обогащенные гумусом Смесь бытовых и хозяйственных отходов Специально укладываемые или стихийно накапливающиеся Полигенный Засыпанные овраги Суглинки, пески, органические отложения и материал пестрого состава Отложения искусственных водоемов Отложения водохранилища Грунты пойм рек Волги, Сока и Самары Аллювиальные пески Рис. 1. Схема расположения объектов исследования в историческом центре Самары Д. И. Васильева, М. Н. Баранова, А. В. Мальцев, С. В. Соколова 7 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 В геоморфологическом отношении исследованная территория представляет собой надпойменные террасы рек Самары и Волги разного возраста и сложного строения, имеющих значительный уклон местности и постепенно переходящих в водораздельную поверхность [6]. Для данной территории до застройки и планировки поверхности было характерно протекание следующих экзогенных геологических процессов: оврагообразование, плоскостная эрозия, оползни, подтопление и др. [7]. Оврагообразование является весьма неблагоприятным экзогенным геологическим процессом [8]. Большая часть оврагов относится к древним эрозионным врезам, и только некоторые из них являются результатом протекания современной эрозии [9-11]. Возможно, именно для укрепления территории строительства и предотвращения активизации оврагообразования на месте расположения крепости были возведены деревянные конструкции, вскрытые археологическими раскопками 2013-2014 и 2017 гг. Раскоп 2019 г. вскрыл край второй надпойменной террасы г. Самары и резкое понижение рельефа к первой террасе. Для выравнивания неровностей рельефа, начиная не позже 1722 г. (дата определена по найденным в культурных слоях монетам), проводилась засыпка понижений органическими остатками и строительным мусором. В настоящее время мощность данных слоев достигает 7-8 и более метров (рис. 2). Культурные слои расположены на «материке» - желтом древнеаллювиальном песке с большим количеством прослоев ожелезнения. В настоящее время мы можем наблюдать резкий перепад материкового слоя высотой до 3 м, который полностью спланирован путем насыпки органических культурных слоев. Здание павильона-кафе расположено на Набережной р. Волги вблизи пересечения улиц М. Горького и Пионерской в Самарском районе города. Обследование технического состояния было выполнено сотрудниками Самарской государственной архитектурно-строительной академии (СамГАСА) под руководством А.В. Мальцева [12]. В конструктивном плане объект представлял собой одноэтажное каркасное здание из металлических элемен- Рис. 2. Общий вид археологического раскопа Хлебной площади Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 8 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ тов, размерами в плане 16×12 м, эксплуатируемое только в летний период. Цель обследования - возможность реконструкции здания и замена легкого металлического каркаса на капитальные кирпичные стены для круглогодичной эксплуатации кафе. Анализ инженерно-геологических условий площадки здания павильона-кафе показал, что в геоморфологическом отношении обследуемый участок приурочен к левобережной пойме Волги. До начала строительства набережной абсолютные отметки природного рельефа составляли 30,1-34,0 м. В результате проведения планировочных работ методом отсыпки грунтов при строительстве речного вокзала в настоящее время участок имеет ровную поверхность с абсолютными отметками 36,2-36,4 м со слабым уклоном в северо-западном направлении в сторону Волги. По результатам инженерно-геологических изысканий в грунтовом массиве площадки обследуемого здания было выделено 8 инженерно-геологических элементов (ИГЭ): - ИГЭ-1 (tQIV) - насыпной грунт слежавшийся, плотный, сложного состава - смесь чернозема (60 %), глины, песка, щебня, битого кирпича и стекла, мощностью от 0,5 до 2,4 м; - ИГЭ-2 (tQIV) - насыпной грунт, аналогично ИГЭ-1, с содержанием навоза до 30 %, мощностью от 1,8 до 3,2 м; - ИГЭ-3 (tQIV) - навоз черный, разложившийся, с содержанием чернозема и песка до 20 %, мощностью до 2,0 м; - ИГЭ-4 (tQIV) - песок насыпной буро-коричневый, средней крупности, плотный и средней плотности с включениями битого кирпича и стекла, маловлажный, мощностью до 3,2 м; - ИГЭ-5 (aQIV) - песок темно-серый, мелкий, средней плотности, влажный, с глубины 7-10 м от поверхности земли водонасыщенный, слабо гумусированный, мощностью от 2,8 до 4,2 м; - ИГЭ-6 (aQIV) - супесь серая, пластичная, слабо гумусированная, мощностью до 1,6 м; - ИГЭ-7 (eP2kz) - доломит серый, сильно выветрелый, рыхлый (рухляк), пониженной прочности, мощностью до 3,4 м; - ИГЭ-8 (eP2kz) - доломит серый, сильно выветрелый, трещиноватый, мало прочный, мощностью от 0,6 до 2,2 м. Основные показатели свойств грунтов приведены в табл. 2. Таблица 2 Основные физико-механические показатели свойств грунтов основания № ИГЭ Наименование ИГЭ Плотность грунта ρ, г/см3 Содержание органики, доли единицы Модуль деформации E, МПа Сила сцепления c, кПа Угол внутреннего трения ϕ, град Предел прочности на сжатие RС , МПа Расчетное сопротивление грунтов R0 , кПа 1 Насыпной грунт 1,80 0,09 15 - - - 120 2 Насыпной грунт с навозом до 30 % 1,75 0,20 7 - - - 100 3 Навоз с черноземом и песком до 20 % 1,50 0,40 3 - - - 50 4 Насыпной песок 1,80 - 30 0 34 - - 5 Песок мелкий 1,78 - 22 0 30 - - 6 Супесь пластичная 1,87 - 10 10 20 - - 7 Доломитрухляк пониженной прочности 1,90 - 6 - - 4 - 8 Доломит сильно выветрелый, мало прочный 2,20 - 35 - - 12 - Д. И. Васильева, М. Н. Баранова, А. В. Мальцев, С. В. Соколова 9 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Техническое обследование объекта показало, что массив представлен неодинаковыми по мощности и характеру напластования грунтами, значительно различающимися по своим физико-механическим показателям. Поэтому для основания характерны неоднородность и анизотропия свойств. Непосредственно под подошвой существующих фундаментов несущий слой является насыпным грунтом. Кроме того, основание до глубины 4-6 м представлено различными слабыми насыпными грунтами (имеющими малые значения расчетного сопротивления грунтов в пределах от 50 до 120 кПа), которые подстилаются мало прочными доломитами. Большинство поверочных расчетов показало, что под кирпичные стены здания кафе после его реконструкции достаточно ленточного фундамента шириной 1 м и глубиной заложения подошвы фундамента 1,9 м, опирающейся на насыпные грунты ИГЭ-1. Однако наличие в слабых подстилающих слоях основания ИГЭ-2 и ИГЭ-3 навоза и чернозема (т. е. органики) в больших количествах позволило отнести эти грунты к биогенным и рассматривать их напряженно деформируемое состояние как нестабилизированное. Расчет на слабый подстилающий слой привел к тому, что в качестве фундамента под небольшое одноэтажное кафе была рекомендована фундаментная плита под всё здание размерами в плане 18×14 м. Поэтому надстройка существующих и возведение новых многоэтажных зданий в историческом центре г. Самары связаны с необходимостью учета сложных геологических условий при строительстве. Наличие техногенных и культурных слоёв, склонных к неоднородности и анизотропии свойств и текстуры грунтового массива, в большинстве случаев приводит к неравномерным осадкам основания под нагрузкой от сооружения. Кроме этого, деформации основания могут быть продолжительны по времени, и зависимость осадки от времени не всегда прогнозируема. Изучение инженерно-геологических особенностей строительства на территории Самары зависит от физико-географических условий и геологического строения, включая стратиграфию, тектонику, карстовые проявления и уровень подземных вод. Еще в 1969 г. исследования доктора геолого-минералогических наук В.И. Рачитского [13] дали возможность выделить инженерно-геологический район, приуроченный к высокой части г. Самары от ул. Полевой до Хлебной площади. Он охватывает территорию распространения четвертичных аллювиальных отложений второй надпойменной древней террасы у слияния рек Волги и Самары. Бровки террасы снижены процессами денудации и, особенно на самарском склоне, слабо выражены в рельефе. Данный район, по мнению В.И. Рачитского, слагается слоистыми и косослоистыми древнечетвертичными аллювиальными песками и супесями мощностью до 30 м. Пески и супеси были весьма хорошо изучены В.И. Рачитским с их физико-технической стороны (табл. 3). Как следует из табл. 3, суглинки, супеси, пески являются частично пригодными для строительства. Толща песков подстилается известняками и реже доломитами, и они являются частично пригодными для строительства. Но в целом конкретный инженерно-геологический район менее благоприятный, так как в этом районе есть опасения встретиться с закарстованными породами казанского яруса. Уровень подзем- Таблица 3 Общая характеристика свойств аллювиальных отложений Физико-механические показатели грунтов Суглинки Супеси Пески Влажность грунта w , % 17,25 13,50 8,60 Степень влажности Sr , д.ед. 0,75 0,30 0,30 Плотность минеральных частиц ρs , г/см3 2,67 2,66 2,62 Плотность грунта ρ, г/см3 1,91 1,78 1,76 Пористость n , % 38,20 42,00 43,00 Коэффициент пористости e , д.ед. 0,62 0,73 0,76 Влажность на границе пластичности wр , % 16,75 16,60 - Число пластичности Jp , % 10,85 3,86 - Расчетное сопротивление грунта основания на глубине 2 м Ro , кПа 270,00 234,00 200,00 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 10 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ных вод, приуроченных к казанскому водоносному горизонту, располагается на абсолютных отметках от 30 до 40 м. Экспериментальные исследования Авторами проведено петрографическое изучение материла образцов проб, отобранных из материкового слоя и органических культурных слоев. Исследования проведены под бинокуляром при увеличении 8,75 крат, в проходящем свете поляризационного микроскопа при увеличении 72 крат и под микроскопом USB DIGITAL при увеличении 10 крат. Использовались общепринятые методики [14-19]. Пробы из подстилающего «материкового» слоя представлены слабо уплотненной сыпучей массой коричневого цвета в количестве 2 кг. Преобладает песчано-алевролитовая фракция, в которой присутствуют единичные плотные хорошо окатанные гальки. Галечная фракция. Форма обломков слабо уплощенная эллипсовидная, размером от 5 до 20 мм. Поверхность хорошо сглаженная с неглубокими выемками, цвет от темно-коричневого до черного. В сколе коричневые обломки имеют раковистый излом, светло-серый цвет со слабым кремовым оттенком и тонкозернистую структуру. На действие 10 %-го раствора соляной кислоты наблюдается вскипание. Твердость по шкале Мооса равна 3, что указывает на известняк. Черные обломки в сколе имеют тоже раковистый излом, цвет вишнево-красный, структура от тонкозернистой до скрыто-кристаллической. Твердость по шкале Мооса чуть выше 6, что указывает на яшмовидный кремень (рис. 3). Песчано-алевритовая фракция. Песчаная фракция имеет размер от 0,1 до 0,8 мм. Преобладают зерна округлого очертания с сильным стеклянным блеском, просвечивающие в проходящем свете поляризационного микроскопа, с показателем преломления, близким к 1,54, что указывает на кварц. В меньшем количестве присутствуют темные коричневатые не просвечивающие угловатые обломки таких же размеров и крупные со щепковидной вытянутой формой размером до 3 мм, что указывает, вероятно, на почвенные и растительные образования (рис. 4). Алевритовая фракция имеет размер от 0,01 до 0,05 мм. Форма их пластинчатая, угловатая. Состав такой же, что в песчаной фракции, но преобладают темные пылеватые зерна (рис. 5). Пробы из техногенных отложений (органических культурных слоев) представлены плотной массой темно-коричневого цвета с нечетко выраженной слоистостью. При раскалывании масса легко распадается на комковатые и уплощенные обломки, в сколе которых присутствуют прерывистые и очень тонкие прослои белого цвета. В этих прослоях наблюдаются трещинки (рис. 6). Структура массы пористая зернисто-волокнистая. Конфигурация пор разнообразная: от неправильно изометрической до вытянутой в одном направлении (рис. 6 и 7). В общей массе присутствуют мелкозернистые включения, но преобладают удлиненные остатки древесины с сохранившейся микроструктурой (рис. 7 и 10). В отдельных образцах наблюдается контакт плотных и равномерно пористых слоев. В плотных слоях присутствуют трещины, а в пористых - овальные образования (рис. 8). Эти образования покрыты белой корочкой, которые имеют моховидную поверхность, возможны грибковые образования на овальных включениях органического мусора (рис. 9). В рыхлой фракции хорошо различа- Рис. 3. Фото галечной фракции: а - яшмовидный кремень; б - известняк а б Д. И. Васильева, М. Н. Баранова, А. В. Мальцев, С. В. Соколова 11 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 Рис. 4. Фото песчаной фракции Рис. 5. Фото алевритовой фракции Рис. 6. Поверхность скола с трещинами и белыми прослоями Рис. 7. Древовидные включения в тонкозернистой массе ются древовидные остатки и единичные песчинки кварца (рис. 10). Таким образом, на начальном этапе заселения территории Самары поселенцы столкнулись со значительными сложностями, обусловленными природными компонентами ландшафта: высокой расчлененностью и перепадами рельефа, рыхлыми песчаными грунтами, активными эрозионными процессами. В месте расположения современной Хлебной Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 12 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 8. Контакт плотных и пористых слоев Рис. 9. Белые образования на овальных включениях Рис. 10. Растительные остатки и песчинки прозрачного кварца в рыхлой фракции площади данные проблемы решались с помощью строительства деревянных конструкций и формирования антропогенных наносов большой мощности из органических материалов и строительного мусора. Выводы. 1. Техногенные отложения Древней Самары характеризуются большой толщей органических культурных слоев (7-8 и более метров), уплотненных, имеющих послойное залегание, пористую структуру, Д. И. Васильева, М. Н. Баранова, А. В. Мальцев, С. В. Соколова 13 Градостроительство и архитектура | 2020 | Т. 10, № 4 с остатками древесины и хозяйственных отходов. 2. В качестве подстилающих пород под техногенным органическими отложениями расположены естественные древнеаллювиальные отложения в виде песка, супеси и гравия. 3. Инженерно-геологические особенности техногенных отложений могут осложнить использование территории для городского строительства.

About the authors

Daria I. VASILIEVA

Samara State Technical University

Margarita N. BARANOVA

Samara State Technical University

Andrey Valentinovich MALTSEV

Samara State Technical University

Svetlana Vladimirovna SOKOLOVA

Samara State Transport University

References

Supplementary files