Авторы:
Герман Постоев
Главный научный сотрудник, д.т.н., Институт геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН
Борис Лапочкин
Ведущий научный сотрудник, к.г.-м.н., Институт геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН
Андрей Казеев
Старший научный сотрудник, к.г.-м.н., Институт геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН
Аннотация
В России перерабатывается лишь малая часть твердых бытовых отходов. Основная их масса скапливается на полигонах. Председатель технико-экономического Совета Общественной приемной Комитета Государственной Думы по природным ресурсам, природопользованию и экологии по Ленинградской области и г. Санкт-Петербургу М.А. Пильцер рассказал об отечественной инновационной технологии переработки, которая должна сделать утилизацию отходов рентабельной и экономически привлекательной. Также он затронул проблемы отходов животноводства и городских канализационных стоков, для решения которых уже создана серия экспериментальных установок.
В массовом сознании оползневые и иные гидрогеологические природные риски связаны практически исключительно с горными регионами. Единственнойпроблемой, имеющей отношение кгороду, признаются лишь наводнения. В таком же ключе, к сожалению, зачастую мыслят представители государственных органов и девелоперских структур. Тем не менее, оползневые процессы активны и за городом, и нагородских территориях. В приводимой нами статье, написанной учеными из Института Геоэкологии Российской Академии Наук, подробно рассматриваются оползневые риски при строительстве многофункционального комплекса на берегу р. Москвы.
При проведении изыскательских работ на площадке проектирования здания МФК и анализе их результатов были выявлены и оценены возможные геологические опасности, включающие склоновые (оползневые) процессы, карстовые деформации и осадку здания. Наличие названных процессов обусловлено инженерно-геологическими и гидрогеологическими особенностями строения территории, обуславливающими возможные изменения состояния геологической среды.
Участок расположен в низовьях бассейна небольшого притока реки Москвы – р. Таракановки, на правом ее берегу. Русло р. Таракановки с 1956 года заключено в коллектор шириной 3,4 м, высотой 3,2 м. После сооружения коллектора территория, примыкающая к нему, и сам коллектор были покрыты техногенными грунтами и строительным мусором до отметок около 127-131 м.Эти работы были обусловлены необходимостью того, чтобыликвидировать зону затопления, образующуюся вдоль долины р. Таракановки в паводковые периоды.
На площадке, выбранной для проектирования объекта, развиты четвертичные образования (современные техногенные и аллювиальные грунты), юрские отложения бат-келловейского яруса и каменноугольные образования (неверовская, ратмировская, воскресенская, суворовская толщи).
Техногенные отложения (насыпные грунты- tQIV) развиты повсеместно до глубины 4,0-9,0 м. На большей части территории участка их мощность составляет 6-7 м. Единичные скважиныдостигают мощности до 4 м.
Аллювиальные отложения -(aQIV) развиты повсеместно под техногенными грунтами. Их мощность 5,0-11,0 м.
Юрские отложения (бат-келловейский ярус) (J2-3 bt-cl)залегают на участке исследований под аллювиальными образованиями и относятся к среднему отделу юры. Данные отложения распространены повсеместно и имеют мощность, изменяющуюся от 0,6 до 2,5 м.
Каменноугольные отложения на участке представлены верхним и средним отделами (С2 и С3).
Неверовская толща (С3 nv) представлена глинами твердой консистенции и мергелями средней и низкой прочности, местами сильно трещиноватыми Их мощность изменяется от 0,5 до 4,3 м.
Ратмировская толща (C3rt)сложена известняками органно-детритовыми и скрытокристаллическими, малопрочными, трещиноватыми. Местами известняки сильнотрещиноватые, кавернозные с тонкими прослойками мергелей Мощность отложений составляет 4,5 – 7,1 м.
Воскресенская толща (С3vs) представлена глинами пестроцветными, твердой консистенции с прослоями мергеля. Данные отложения вскрыты под ратмировскими известняками. Мощность отложений составляет 7,7 – 10,9 м.
Суворовская толща (С3sv) представлена известняками микро-скрыто- и мелкокристаллическими, местамитрещиноватыми с редкими кавернами размером 1-2 см, с прослоями мергелей.
Первым от поверхности постоянным водоносным горизонтом в пределах площадки является надъюрский горизонт. Водовмещающими грунтами горизонта являются техногенные и аллювиальные отложения, представленные пылеватыми песками с прослоями песков мелкойи средней фракции. Нижним водоупором горизонта являются юрские глины.
Второй от поверхности водоносный горизонт залегает преимущественно в ратмировских известняках. Горизонт напорный. Уровни устанавливаются на отметках, превышающих на 1,0-2,0 м абсолютные отметки поверхности (скважины с самоизливом).
Верхним водоупором горизонта являются глины юрского и каменноугольного (C3nv) возрастов. Общая мощность их изменяется в пределах от 1,0 до 7,2 м. Нижним водоупором служат глины с прослоями доломитов воскресенской толщи.
Зона питания горизонта находится за пределами исследуемой площадки, разгрузка происходит за счет перетекания воды ввышерасположенный горизонт и в русло р. Москвы.
Третий водоносный горизонт залегает преимущественно в суворовских известняках (C3sv). Горизонт также напорный. Уровни устанавливаются на отметках129,92-126,95 м (отметки поверхности площадки 127,46-131,20 м).
Верхним водоупором горизонта являются глины с прослоями доломитов воскресенской толщи (C3vs). Нижний водоупор бурением не вскрыт.
Оползневая опасность на площадке оценивалась в силу близости ее местоположения к береговому склону р. Москвы, пораженному на данном участке оползневым процессом. В частности левый берег р. Москвы в излучине от Карамышевского гидроузла до сечения по 3-му Силикатному проезду на протяжении 1100 м поражен относительно глубокими блоковыми оползнями. Следует также указать, что выше по течению р. Москвы, также на левом берегу, в 2007 году произошла катастрофическая активизация оползневого процесса с отделением и оседанием части плато в виде нового оползневого блока протяженностью вдоль берега около 330 м.
Установлено, что блоковое развитие (активизация) оползневого процесса происходит по схеме сжатия. В прибровочной части плато горизонт, в котором в дальнейшем формируется поверхность скольжения, находится под вертикальным давлением вышележащих слоев грунтовой толщи, превышающем структурную прочность (предельное давление на одноосное сжатие грунта) грунта горизонта. Под давлением в грунте возникают горизонтальные напряжения «распора»(напора). Устойчивость прибровочной части плато сохраняется, пока пригрузка на рассматриваемый горизонт от склоновых оползневых отложений формирует достаточное горизонтальное давление «отпора», обеспечивающее равновесное состояние на границе «склона» и «плато».
Следует отметить, что блоковое развитие оползневого процесса захватывает глубокие горизонты массива, оказывая влияние на устойчивость и состояние сооружений, расположенных на прилегающей к склону территории.Обычно принимается, что основное влияние активных деформационных процессов распространяется от бровки склона вдоль территории на 2h (где h – высота склона). Однако известны случаи, когда зона влияния достигает 10 h и более [1].
На основе разработок ИГЭ РАН расчетным путем определено положение поверхности скольжения оползневых блоков, а также проведены расчеты устойчивости поосновным створам для оценки оползневой опасности в пределах проектируемой строительной площадки. Расчеты устойчивости по методике ИГЭ РАН показали, что в районе площадки МКФ склон устойчив (без учета условий обводнения грунтов,– соответственно, возможно влияние гидродинамического давления), с коэффициентом устойчивости Кst =1,0-2,5.
Карстовая опасность. Наличие карстующихся известняков в основании площадки исследованийявляется негативным фактором, обуславливающим возможное проявление карстовых полостей опасных размеров и образование карстового провала.
При проведении изысканий в районах развития карста одной из главных задач является выявление полостей в карстующихся породах (если они имеются). Однако, как правило,бурением и геофизическими исследованиями карстовые полостив соответствиис диаметром карстового провала не выявляются, если не считать трещины и пустоты незначительных размеров.
Чтобы создать угрозу карстового провала, необходимо наличие полости в карстующихся породах и контакта полости с покрывающей глинисто-песчаной толщей. При этих условиях приконтакте глинисто-песчаного слоя с полостью в известняках происходит деформация глинистых пород с перемещением деформирующихся пород в полость. Индикатором этого процесса является мульда проседания, фиксируемая на поверхности.
В основу анализа карстовой опасности(возможного образования карстового провала) авторами приняты теоретические разработки по оценке предельного состояния грунтовых массивов, в частности, на локальных участках, где происходит разгрузка и перераспределение напряжений (формирование свода) над карстовой полостью [2]. Свод над отверстием в полостиявляется не куполом, образующемся при обрушении грунтов, а характеризует перераспределение напряжений в массиве над полостью в усилия в оболочке свода и условия формирования предельного состояния на контакте с карстующимися породами. Установлено, что предельное состояние массива перед образованием провала принимает вид:
где R – радиус кривизны границы (и радиус свода над полостью) в рассматриваемой точке на глубине Za(мощность толщи над полостью),γ – среднее значение удельного веса грунтов, залегающих над горизонтом на глубине Za.
Структурная прочность σstr глин определяется по формуле:
Убедительным свидетельством объективности данного подхода к расчетам предельной величины диаметра возможного карстового провала является получение единой технологии расчета напряженно-деформированного состояния для оползневых массивов, карстовых провалов и расчета осадок грунтовых оснований [2]. Результаты расчетов получили хорошее совпадение с фактическими данными по всем перечисленным направлениям.
Выполненные расчеты показали, что для условий массива с возможными карстовыми полостями в ратмировских известняках образование карстового провала маловероятно и его предельный диаметр составляет менее 1,5-3,0 м. В силу неопределенности влияния кривизны сечения цилиндрического образования, точно определить диаметр возможного провала не представляется возможным. Следует указать, что провал указанного размера не может представлять опасность для проектируемой фундаментной плиты. Кроме того, установлено, что в неверовских глинах, даже с учетом расчетных значений φ и с, напряженное состояние у кровли суворовских известняков близкое к равновесному σ1а≈ σstr, что также указывает на малую вероятность образования провала. Однако нельзя исключить того, что карстовая полость может быть и в известняках суворовской толщи. При этом предельный диаметр возможного провала и деформирования воскресенских глин каменноугольных отложений, как показали расчеты, может составить 18 м (при условии наличия полости).
Что касается вероятности образования провала указанных размеров, то здесь можно высказать следующие суждения:
а) В данном районе до сих пор не были отмеченыкарстовые деформацииподобногоразмера, тем более с наличием полости в толще суворовских известняков.
б) В процессе инженерных изысканий бурением не было выявлено полостей в указанной толще.
в) Известняки суворовской толщи по сравнению с ратмировскими характеризуются меньшей трещиноватостью и более высокой прочностью.
Однако, учитывая высокую степень ответственности проектируемого сооружения, следует предусмотреть проведение мероприятий, снижающихопасность карстовых провалов для здания МФК.
Оценка опасности осадки проектируемогосооружения. Проблема достоверной оценки возможных осадок грунтового основания, несмотря на наличие разнообразных расчетных моделей грунтового основания, весьма актуальна. Даже применение современных программ расчета численными методами не решает проблемы: «расчетные осадки практически всегда отличаются от фактических», достигая расхождения в ±50% и более[3].
В ИГЭ РАН разработана новая расчетная модель для определения осадки[2], в основе которой лежат закономерности формирования предельного состояния в рассматриваемом слое грунтового массива и реальные деформативные параметры в соответствии с прочностью грунта. Зная структурную прочность σstr, вертикальное напряжение σ1ai, соотношение главных напряжений αi(предложена формула) и выражение для относительной осадки каждого слоя, можно определитьсуммарнуюосадку:
где S – суммарная осадка грунтового основания, см; ∆h – толщина слоя, см; n – число слоев грунтового основания в расчете.
По данной методике выполнялись расчеты осадки фундаментной плиты с давлением по подошве фундамента 0,9 МПа и заглублением на 10 м.
Технология расчета осадки основана на теоретических решениях по оценке предельного состояния в грунтовом массиве при возрастании вертикального давления на локальном участке (давление фундамента).
При этом принимается, что глинистый грунт при вертикальном давлении, превышающем его структурную прочность, ведет себя как песчаный грунт, перераспределяя вертикальное давление в соответствииизменением боковых напряжений. В связи с этим привыводе выражения для расчета осадки i-го слоя грунтового основания были использованы результаты стабилометрических испытаний песка.
Технология расчета осадкиучитывает, что под фундаментом в пределах сжимаемой толщи образуется ядро, и осадка ядра вместе с фундаментом происходит по его границам в зависимости от структурной прочности грунтаi-го слоя основания и степени близости его состояния к расчетному предельному.
Получено, что без учета взвешивания аллювиальных грунтов основания, слагающих верхнюю часть разреза, расчетное значение осадки составило 46,9 см. С учетом взвешивания этих грунтов в водонасыщенном состоянии осадка составила уже 73,4 см.
В «спокойные» периоды коллектор работает как дренажная труба, что связано с его изношенностью: коллектор сооружен в 1956 г..Это подтверждается данными измерений уровней грунтовых вод надъюрского горизонта(уровни понижаются в сторону коллектора).В периоды же паводка уровни грунтовых вод уравниваются за счет восходящей фильтрации в массиве над коллектором (см. рис. 1).
С учетом этого у восточного фланга фундамента здания были выполнены расчеты с повышением УГВ на 2,5 м ,что является вполне вероятным событием. Осадка в этом месте составила 92 см. Уклон поверхности фундаментной плиты достиг 0,005, что выше допустимого значения (0,003).
Таким образом, результаты расчетов показали, что в проекте необходимо:
- предусмотреть мероприятия по снижению осадки (тем более неравномерной), связанной с обводнением грунтового основания из расположенного вблизи строительной площадки коллектора;
- снизить эффект влияния оползневых и карстовых деформаций на осадку до допустимого уровня возможных оползневых и карстовых деформаций.
Рекомендуется углубить фундаментную плиту на 10-15 м или использовать свайныеоснования с расположением концов свай в известняках ратмировской толщи.
Литература
- Постоев Г.П. Проблемы строительства в оползнеопасных зонах г. Москвы //Уникальные и специальные технологии в строительстве. Информационный сборник. 2006, № 1 (4). С. 28-31.
- Постоев Г.П. Предельное состояние и деформации грунтов в массиве (оползни, карстовые провалы, осадки грунтовых оснований). М.; СПб.: Нестор-История, 2013. 100 с.
- Барвашов В.А. Расчет осадок грунтовых оснований и свай фундаментов без допущения о конечности глубины сжимаемой толщи.// Геотехника. 2010. № 4, с. 42-57.
Герман Постоев
Связаться Герман ПостоевИнститут геоэкологии им. Е. М. Сергеева РАН
Главный научный сотрудник, д.т.н.
