Сравнительный анализ физико-механических свойств скальных пород и щебня в карьерах Билибинского района Чукотского АО с целью их использования при строительстве автомобильных дорог
Сравнительный анализ физико-механических свойств скальных пород и щебня в карьерах Билибинского района Чукотского АО с целью их использования при строительстве автомобильных дорог
Аннотация
Билибинский район находится в суровом климате с плохо развитой транспортной инфраструктурой. Дорога от Баимского ГОК до мыса Наглейнын станет самой крупной транспортной артерией, соединяющей главное предприятие района и Северный морской путь. Щебень является одним из основных материалов, применяемых при строительстве автомобильных дорог.
Для проектирования дорожной сети и получения строительного материала были выбраны 65 участков, расположенных вдоль планируемой дороги с целью выяснения качества щебня, полученного из скальных пород на участке. Для оценки пригодности щебня были проведены физико-механические испытания, литолого-петрографические исследования скальной породы, физико-механические испытания щебня, получаемого при дроблении скальной породы. Основным фактором при выборе участков для добычи строительного материала стала геоморфология прилегающей к дороге территории – на вершинах и склонах возвышенностей.
Анализ на соответствие нормативной документации показателей щебня (дробимость, морозостойкость, истираемость, лещадность, содержание глинистых частиц в щебне, содержание слабых зерен, удельная эффективная активность радионуклидов, плотность) Билибинского района показал, что только половина скальных пород (51,9%) являются пригодными для изготовления и использования щебня в основаниях дорожных покрытий. Наиболее качественными характеристиками, среди которых высокие показатели прочности, низкий коэффициент водопоглощения, слабая трещиноватость обладают скальные породы, относящиеся к утувеемской свите, егдэгкычскому плутоническому комплексу, болотнинской свите, нетпнейвеемской свите, раучуанской свите, кэпэрвеемской свите.
Результаты наших исследований показали, что при выборе участка для получения строительного материала кроме геоморфологии территории необходимо учитывать такие факторы, как геологическое строение и возраст скальных пород на участке.
1. Введение
Билибинский район находится в западной части Чукотского автономного округа в бассейне реки Колымы. Район расположен в зоне многолетней мерзлоты и относится к зоне арктической тундры.
Основным предприятием района станет Баимский ГОК, а связующей дорогой – «Баимский ГОК – Билибино – Мыс Наглейнын», протяженностью более 400 км (рис. 1) . Проект включен в Стратегию социально-экономического развития Дальнего Востока и Байкальского региона.
C целью связать Баимский ГОК и Северный морской путь планируется строительство круглогодичной автомобильной дороги . Источником щебня в качестве строительного материала будут выступать скальные породы из карьеров, расположенных вдоль проектируемой дороги.
В геологическом отношении скальные породы Билибинского района представляют собой вулканогенные, осадочные и вулкногенно-осадочные отложения от каменноугольного до мелового возраста. По составу это преимущественно песчаники, алевролиты и аргиллиты, глинистые и кремнистые сланцы, известняки, а также туфы, туфопесчаники. Пермские отложения выделены в небольшом тектоническом блоке на востоке территории. В районе также проявлен интрузивный магматизм, в виде штоков и даек, различных по составу и возрасту, а также широко распространены интрузивные образования Егдэгкычского плутонического комплекса (пироксениты, диориты, гранодиориты) нижнего мела.
В зависимости от интенсивности движения и назначения автомобильные дороги делятся на 5 категорий : автомагистрали и скоростные дороги федерального значения (I, II); федеральные дороги между административными центрами (II, III); республиканские, краевые, областные дороги (III, IV); дороги местного значения (IV, V) . Использование щебня скальной породы для оснований возможно для всех категорий дорог, а для покрытий – только для дорог IV и V категорий. Указанные категории и методы использования различаются по требуемым нормативным показателям дробимости, истираемости, морозостойкости, регулирующимися соответствующими инструкциями и ГОСТами.
Для использования при дорожных работах содержание зерен лещадной и игловатой формы должны быть менее 35% . Щебень разделяется по типам: из метаморфических и изверженных пород марок дробимости 800 и выше и осадочных пород марок 600 и выше. Для щебеночных дорог IV, V категорий лещадность не должна превышать 15%, при использовании в основаниях дорог I-III категорий – 35% . Требования по морозостойкости к щебню скальной породы, зависят от среднемесячной температуры воздуха территории наиболее холодного месяца . В случае Билибинского района самым холодным месяцем года является январь: -34,3 °C , т. е. к району применяются самые высокие требования по морозостойкости щебня, используемого в дорожном строительстве.
Требования к показателям щебня :
– содержание вредных компонентов и примесей не должно превышать 1,5%;
– содержание пылевидных и глинистых частиц в щебне не должно превышать 1% в случае изготовления щебня из изверженных и метаморфических пород, 2% при изготовлении щебня из осадочных пород;
– содержание зерен слабых пород не должно превышать 10% по массе;
– при строительстве дорог в пределах территории населенных пунктов и зон перспективной застройки, производственных зданий и сооружений должен иметь суммарную удельную эффективную активность естественных радионуклидов Аэфф до 740 БК/кг и при строительстве вне населенных пунктов до 1500 БК/кг.
Исходя из нормативной документации, основными показателями для строительных материалов при дорожных работах являются: дробимость, истираемость, морозостойкость, лещадность, содержание глинистых частиц (щебень, песок), средняя плотность щебня, содержание зерен слабых пород, активность естественных радионуклидов.
Основная гипотеза исследования – скальные породы Билибинского района характеризуются широким возрастным и литологическим разнообразием, что оказывает существенное влияние на качественные характеристики щебня, полученного при их переработке. Проведенное исследование позволит включить в список факторов выделения участка для получения щебня, помимо геоморфологии, геологическое строение территории.
Дополнительный фактор позволит снизить экономические затраты на геологоразведочные работы и снизит риск получения некачественных строительных материалов.
![Схема участка работ [17]](/media/images/2024-10-17/90c8718a-e77e-482a-9cd0-8321a1859576.jpg)
Рисунок 1 - Схема участка работ [17]
2. Методы и принципы исследования
Основными материалами являются: сводные ведомости физико-механических показателей скальных пород и производного из них щебня в проектируемых карьерах. Для исследования физико-механических свойств скальных пород и щебня в лаборатории были выполнены анализы по определению: влажности , , плотности, прочности при одноосном сжатии , прочности при одноосном растяжении , коэффициент размягчаемости , дробимости, истираемость, лещадность, наличие слабых зерен, морозостойкость , , содержание сернокислых соединений в песке, модуль крупности песка , , .
Для получения физических характеристик щебня пробы были раздроблены до следующих фракций: 40–70 мм, 20-40 мм, 10-20 мм, 5-10 мм, отсев (песок) .
После статистической обработки физико-механических показателей и их сопоставления с петрографическими характеристиками были выделены уникальные скальные породы, исходя из их геологического строения, петрографического описания и физико-механических характеристик .
Дальнейшая обработка численных показателей была произведена с целью обобщения результатов внутри геологических возрастов и фильтрации стратиграфических единиц по качестве щебня, получаемого из скальных пород.
Исследуемые скальные породы представлены триассовыми, юрскими, меловыми отложениями и относятся большей частью к: песчаникам, алевролитам, сланцам, аргиллитам, диоритам, и в меньшей к: туфам, долеритам, монцодиоритам, филлитам, клинопироксенитам, андезидацитам. Наименее часто встречаются карбоновыми отложения (песчаники).
Количество проб, которые были отобраны для анализа физико-механических свойств скальной породы, находятся в диапазоне от 110 до 500 проб на каждую выделенную после анализа скальную породы. Для анализа свойств щебня были отобраны групповые пробы однородной скальной породы общей массой до 35 кг. На каждый проектируемый участок было выделено от 5 до 13 групповых проб в зависимости от размера карьера.
Показатели щебня были проанализированы с целью определения скальных пород, характеристики которых удовлетворяют требованиям нормативной документации, по типам использования (основание и покрытие) и категориям дорог (от I (дорога федерального значения) до V (дорога местного назначения)). Тип использования и категория дорог являются основополагающими факторами, влияющими на требуемые показатели щебня .
3. Основные результаты
В таблице 1 показано разделение скальных пород проектируемых карьеров по типам использования для конкретных категорий автомобильных дорог. Включены только те скальные породы, показатели щебня которых удовлетворяют требованиям нормативной документации. Следует отметить, что использовать щебень в качестве покрытия можно только для автомобильных дорог III–V категорий. Также если какие-либо скальные породы возможно использовать при строительстве автомобильной дороги I категории – это означает, что представленные их можно использовать в оставшихся категориях (от II до V).
Исходя из полученных данных о пригодности использования щебня, получаемого из скальных пород на территории исследования (табл. 1) мы пришли к выводу, что только 51,9% удовлетворяют требованиям нормативной документации. Из указанных 51,9 % могут быть использованы при строительстве автомобильных дорог I категории – 11,43%; II – 11,43%; III – 13,93%; IV – 29,64%; V – 33,57% (рис. 2).
Рисунок 3 и рисунок 4 показывают процентное распределение по категориям автомобильных дорог внутри стратиграфических единиц, исходя из типа использования щебня (основание или покрытие). Включены стратиграфические единицы, обладающие хотя бы одной скальной породой, щебень которой удовлетворяет требованиям нормативной документации. Таким образом, скальные породы, щебень которых нельзя использовать при строительстве автомобильных дорог, относятся к следующим стратиграфическим единицам:
1) при использовании щебня в качестве основания автомобильной дороги: K1an, K1lt, αK1, γδ-γK1il, J1ŝr, J3kr, T1-2il, T3dr, C3-P1or;
2) при использовании щебня в качестве покрытия автомобильной дороги: K1an, K1pr-ar, αK1, γδ-γK1il, ν,δ,ργK1in, J2in, J3-K1ap, J3kr, T1-2pn, T3dr, T3n2-3, C3-P1or.
Рисунок 2 - Количество ИГЭ по категориям, удовлетворяющим требованиям нормативной документации
Рисунок 3 - Соответствие щебня скальных пород требованиям нормативной документации по категориям автомобильных дорог
Примечание: тип использования – основание
Рисунок 4 - Соответствие щебня скальных пород требованиям нормативной документации по категориям автомобильных дорог
Примечание: тип использования – покрытие
Таблица 1 - Скальные породы, удовлетворяющие требованиям нормативной документации по типам использования для конкретной категории автомобильной дороги
Тип использования | Категория дороги | ИГЭ | |
Основание | Пескоцементная смесь | I | Песчаник (K1ut); Монцодиорит (υ-vK1e1); Песчаник (J3bl); Песчаник (T1kp); Песчаник (J3rč); Песчаник (J3nt) |
Пескоцементная смесь | II | - | |
Пескоцементная смесь | III | Песчаник (T1-2pn); Алевролит (T3n2-3) | |
Пескоцементная смесь | IV | Алевролит (K1pr-ar); Долерит (ν,δ,ργK1in); Песчаник (J2in); Алевролит (J3-K1ap); Песчаник (T3pk); Аргиллит (J3rč); Алевролит (K1ut) | |
Пескоцементная смесь | V | - | |
Плотные смеси | I | Песчаник (K1ut); Монцодиорит (υ-vK1e1); Песчаник (J3bl); Песчаник (T1kp); Песчаник (J3rč); Песчаник (J3nt) | |
Плотные смеси | II | - | |
Плотные смеси | III | - | |
Плотные смеси | IV | Алевролит (K1pr-ar); Песчаник (J2in); Песчаник (T1-2pn); Алевролит (T3n2-3); Аргиллит (J3rč); Алевролит (K1ut) | |
Плотные смеси | V | - | |
Заклинка | I | Песчаник (K1ut); Монцодиорит (υ-vK1e1); Песчаник (J3bl); Песчаник (T1kp); Песчаник (J3rč); Песчаник (J3nt) | |
Заклинка | II | - | |
Заклинка | III | Алевролит (K1pr-ar); Песчаник (J2in); Песчаник (T1-2pn); Алевролит (T3n2-3); Аргиллит (J3rč) | |
Заклинка | IV | Долерит (ν,δ,ργK1in); Алевролит (J3-K1ap); Песчаник (T3pk); Алевролит (K1ut) | |
Заклинка | V | - | |
Покрытие | Плотные смеси | I | - |
Плотные смеси | II | - | |
Плотные смеси | III | - | |
Плотные смеси | IV | Филлит (T1-2il); Монцодиорит (υ-vK1e1); Песчаник (T1kp); Песчаник (J3rč); Песчаник (J3nt); Песчаник (K1ut) | |
Плотные смеси | V | Песчаник (K1lt); Песчаник (K1ut); Алевролит (J1ŝr); Сланец (T1-2il); Сланец (T3pk); Сланец (T1kp); Алевролит (T1kp); Песчаник (J3bl); Аргиллит (K1ut) | |
Заклинка | I | - | |
Заклинка | II | - | |
Заклинка | III | - | |
Заклинка | IV | Песчаник (K1lt); Песчаник (K1ut); Алевролит (J1ŝr); Сланец (T1-2il); Филлит (T1-2il); Сланец (T3pk); Сланец (T1kp); Алевролит (T1kp); Монцодиорит (υ-vK1e1); Песчаник (J3bl); Песчаник (T1kp); Песчаник (J3rč); Песчаник (J3nt); Аргиллит (K1ut) | |
Заклинка | V | - | |
4. Обсуждение
Наиболее перспективными областями для получения строительного щебня, используемого в основаниях автомобильных дорог, являются: меловые отложения (K1ut – утувеемская свита, υ-vK1e1 – егдэгкычский плутонический комплекс), юрские (J3bl – болотнинская свита, J3nt – нетпнейвеемская свита, J3rč – раучуанская свита) и триассовые отложения (T1kp – кэпэрвеемская свита); в покрытии: меловые отложения (K1lt – левотеньвельвеемская толща, K1ut – утувеемская свита, υ-vK1e1 – егдэгкачский плутонический покмлпекс), юрские (J1ŝr – широкинская толща, J3bl – болотнинская свита, J3rč – раучуанская свита) и триассовые отложения (T1-2il – илирнейская толща, T1kp – кэпэрвеемская свита). Критериями выделения стратиграфической единицы как перспективной в случае оснований – только те геологические возраста скальных пород, щебень которых возможно использовать при строительстве автомобильных дорог I и II категорий, в случае покрытия – при проценте скальных пород, удовлетворяющих требованиям нормативной документации, в выбранной стратиграфической единице более 50%.
Мы считаем, что некоторые стратиграфические единицы обладают лучшими характеристиками щебня, что видно исходя из количественного распределения по категориям автомобильных дорог и типам использования – это позволяет подтвердить гипотезу о широком геологическом разнообразии региона и отдельном выделении некоторых наиболее перспективных для получения строительного щебня областей. Мы предлагаем включать в список факторов выбора потенциальных участков карьеров, не только геоморфологию территории, но также геологическое строение.
Были проанализированы участки проектируемых карьеров от г. Билибино до мыса Наглейнын с целью корректировки местонахождения карьеров с учетом геоморфологического строения территории и особенностей геологического строения.
Проектируемые карьеры от мыса Наглейнын до пос. Бараниха обладают холмистым рельефом и находятся в перспективных областях для добычи строительного щебня. Основные нестыковки наблюдаются в участке от пос. Бараниха до г. Билибино: геологическое строение половины территории содержит в себе триассовые отложения преимущественно пауктуваамской свиты (T3pk), скальные породы которой не удовлетворяют требованиям нормативной документации. Категория планируемой автомобильной дороги – I (федеральное значение), что означает невозможность использования щебня из части проектируемых карьеров (выделены красным контуром на рисунке 6), так как отсутствует возможность оптимального передвижения участка проектируемого карьера с учетом геоморфологии и геологического строения (отсутствует желтая стрелка изменения положения карьера).
Тем не менее часть проектируемых карьеров возможно изменить с учетом геологического строения и сохранения нахождения участка карьера на холмистой местности. Данные изменения обозначены новым контуром карьера оранжевого цвета и дополнительной стрелкой, показывающей направления изменения положения участка карьера (рис. 5 и рис. 6). Особенно следует отметить участок двух последних карьеров (рис. 6), которые предлагается сместить южнее их текущего положения, соединив их в один карьер увеличенной площади.
Рисунок 5 - Корректировки положения проектируемых карьеров с учетом геологического строения территории. Часть 1
Рисунок 6 - Корректировки положения проектируемых карьеров с учетом геологического строения территории. Часть 2
5. Заключение
Развитие инфраструктуры Билибинского района одна из приоритетных задач Российской Федерации. Билибинский район обладает большими запасами щебня, который необходим для строительства автомобильных дорог. Выделение карьеров для производства строительного щебня производилось без учета геологического строения участка, а только при помощи геоморфологии – выбиралась преимущественно холмистая местность и склоны возвышенностей.
В Билибинском районе присутствуют области, наиболее пригодные для добычи строительного щебня, что говорит о подтверждении гипотезы и позволяет говорить о необходимости опираться на геологическое строение предполагаемых участком, а не только на геоморфологию.
Проведенное исследование показывает, что:
1. Наиболее перспективными области по геологическому строению для получения строительного щебня при использовании в основаниях автомобильных дорог являются: меловые отложения (K1ut – утувеемская свита, υ-vK1e1 – егдэгкычский плутонический комплекс), юрские (J3bl – болотнинская свита, J3nt – нетпнейвеемская свита, J3rč – раучуанская свита) и триассовые отложения (T1kp – кэпэрвеемская свита); в покрытии: меловые отложения (K1lt – левотеньвельвеемская толща, K1ut – утувеемская свита, υ-vK1e1 – егдэгкачский плутонический покмлпекс), юрские (J1ŝr – широкинская толща, J3bl – болотнинская свита, J3rč – раучуанская свита) и триассовые отложения (T1-2il – илирнейская толща, T1kp – кэпэрвеемская свита).
2. При классификации скальных пород было выяснено, что 51,9% не подходят для использования в строительстве автомобильных дорог, так как не удовлетворяют требованиям нормативной документации.
3. Количество скальных пород, пригодных для использования при строительстве автомобильных дорог, на территории Билибинского района имеют следующее распределение по категориям: I – 11,43%, II – 11,43%, III – 13,93%, IV – 29,64%, V – 33,57%.