Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Строительство подземных сооружений, связанное с откачкой грунтовых вод, изменяет гидрогеологический режим, который может активизировать суффозионные процессы, что приводит к снижению несущей способности грунта. Потеря несущей способности грунта вызывает деформацию сооружений, следствием которых являются аварийные ситуации объектов промышленности, в том числе с непосредственной опасностью для жизни людей [3, 4, 5].

Типичным примером активизации суффозионных процессов на территории г. Перми являются провалы над водонесущими коммуникациями. Так, в апреле 2013 г. на ул. Встречной 35 а произошел провал асфальтовой дороги на канализационном коллекторе D = 1200 мм, размерами 8×5 м, глубиной 1,1 м. В результате, оказалось невозможным движение транспорта (рис. 1).

В июне 2013 г. на территории г. Перми произошел еще один провал асфальтовой дороги, на ул. Пушкина, между ул. Куйбышева и ул. Попова, диаметром 2,0 м и глубиной 1,0 м. Причиной провала стало обрушение свода на самотечном железобетонном коллекторе. Труба коллектора, 1970 г. постройки готовилась к замене (рис. 2).

Рис. 1. Провал асфальтовой дороги при активизации суффозионных процессов

Рис. 2. Провал асфальтовой дороги

Активизация суффозионных процессов, за счет изменения гидрогеологических условий в г. Перми, является одной из причин, затрудняющих строительство и эксплуатацию зданий и сооружений.

Понижение пьезометрических уровней подземных вод и изменение пластовых давлений вызывают изменение напряжений в горных породах, скоростей, а иногда и направления движения подземных вод, что увеличивает интенсивность суффозионных и карстовых процессов. В одних и тех же условиях понижение уровней приводит к оседанию поверхности земли, а в других – к образованию провалов. Наиболее широко распространены оседания на тех территориях, где подземные воды заключены в хорошо проницаемых песчано-гравелистых породах с небольшой сжимаемостью, которые переслаиваются с глинистыми слабопроницаемыми, но хорошо сжимаемыми отложениями. При откачке снижается напор подземных вод, что увеличивает эффективное давление на скелет грунта, приводит к уплотнению сжимаемых отложений и, как следствие, к оседанию земной поверхности [2, 8].

В работе приведена методика оценки возможных изменений не с точки зрения определения суффозионного выноса, а с точки зрения изменения деформационных свойств грунтов и несущей способности фундамента зданий, расположенных в г. Перми. Здание представляет собой рамную конструкцию, наружные стены которой опираются на сваи-стойки, а внутренние колонны на ростверк, смонтированный на кустах свай трения более чем 10-метровой длины. Полы здания выполнены по грунтовому основанию, с песчано-гравийной подготовкой мощностью до 3 м. В течение последних 6 месяцев эксплуатации полы здания испытывали деформации, осадка пола по результатам нивелировки составила местами от 19 до 24 см. В качестве вероятной причины был рассмотрен вариант, при котором появление деформаций полов здания было связано с проявлением осадки грунтового основания, сложенного в основном насыпными грунтами значительной мощности и водонасыщенными глинистыми грунтами от мягкопластичной до текучепластичной и текучей консистенции, а также линзами песка, супеси и гравийным грунтом. На рис. 3 представлена литологическая колонка с указанием расположения сваи в толще грунта.

В рассмотренном нами случае рядом с уже существующим зданием был отрыт опускной колодец глубиной около 25 м, необходимый для прокладки городского коллектора, были проведены мероприятия по понижению уровня подземных вод в ходе строительства, в результате чего уровень подземных вод был существенно снижен, из-за чего сформировалась депрессионная воронка.

Намного сложнее обстоит дело с обнаружением подземных суффозионных проявлений. Ведущая роль здесь принадлежит геофизическим исследованиям, причем для данной цели вполне приемлем арсенал средств, используемых в инженерном карстоведении [7]. Перспективно также применение динамического и особенно статического зондирования для поиска зон разуплотнения, полостей, погребенных провалов и замкнутых понижений в кровле скальных пород [1].

Совместный анализ геологических, сейсмо- и электроразведочных данных показал, что в основании сооружения залегают супеси пылеватые, которые можно отнести к суффозионным грунтам.

В данной обстановке водопонижение приводит к образованию нисходящего фильтрационного потока, который вымывает пылеватые и песчаные частицы по гравийному грунту. Результатом является их закрытое (внутреннее) фильтрационное разрушение, сопровождающееся разуплотнением грунтов в зоне депрессионной воронки. На рис. 4 представлена схема понижения уровня подземных вод и активизация суффозионных процессов.

Понижение уровня подземных вод, а также суффозионный вынос привели к изменению пористости, показателя текучести, а также модуля деформации грунтов основания. В табл. 1 представлена оценка изменения пористости и модуля деформации до и после техногенного воздействия на массив грунта.

Рис. 3. Литологические колонки скважин с указанием места размещения свай

Таблица 1

Изменение пористости и модуля деформации в результате техногенного воздействия

Пористость увеличилась на 2–3 %. Модуль деформации уменьшился в 2–4 раза.

Изменение физико-механических свойств, в свою очередь, привело к снижению несущей способности основания. Рассчитана несущая способность свайного фундамента до и после техногенного воздействия. В табл. 2 представлен результат расчета несущей способности сваи, а также сопротивление сваи по грунту. В результате техногенного воздействия на массив грунта.

Несущая способность фундамента уменьшилась на 56 %. Такое изменение является катастрофическим.

Изменение физико-механических свойств вызвало деформацию фундамента на естественном основании. Рассчитана осадка ленточного фундамента двумя методами: методом послойного суммирования и методом линейно-деформируемого слоя до и после техногенного воздействия. Результат представлен в табл. 3.

Рис. 4. Понижение уровня подземных вод и суффозионный вынос

Таблица 2

Оценка несущей способности сваи в результате техногенного воздействия

Таблица 3

Расчет осадки ленточного фундамента в результате техногенного воздействия

Осадка грунтов основания увеличилась в 3 раза и привела к разрушению здания.

Обратным расчетом были рассчитаны критические показатели физико-механических свойств грунтов основания, обеспечивающие устойчивость инженерного сооружения. Расчеты показали, что изменения физико-механических свойств грунтов основания становятся критическими после того, как модуль деформации грунтов основания опускается ниже 7,6 МПа, а показатель текучести превышает 0,7. Эти значения можно использовать в качестве граничных условий при районировании территории [6, 7, 9] по устойчивости инженерных сооружений.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Строительство подземного коллектора потребовало произвести откачку грунтовых вод, что повлекло изменение гидрогеологического режима подземных вод. Эти изменения явились причиной активизации суффозионных процессов.

2. Протекающие в основании сооружения суффозионные процессы формируют повышенную, по сравнению с природной, пористость грунта. Так, коэффициент пористости природных грунтов составлял e = 0,786, а после техногенной нагрузки e = 0,821. Изменение пористости грунтов повлекло за собой изменение модуля общей деформации. До техногенной нагрузки E = 6,00 МПа, после E = 2,54 МПа.

3. Установлено, что изменение деформационных свойств грунтов явилось причиной катастрофической осадки фундамента, что привело к разрушению сооружения. Так, если осадка фундамента, рассчитанная по данным свойств грунтов основания, до техногенной нагрузки составила Sр = 11,6 см, то после техногенной нагрузки S = 35,0 см при допустимой (критической) осадке Sк = 12,0 см.

4. Проектировать фундаменты зданий и подземных сооружений необходимо с учетом возможного проявления опасных геологических процессов.

5. При проектировании зданий и сооружений в пределах застроенных территорий следует количественно оценивать возможные изменения физико-механических свойств грунтов основания, в сравнении с их критическими значениями.

Рецензенты:

Наумова О.Б., д.г.-м.н., зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;

Середин В.В., д.г.-м.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной геологии и охраны недр Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 05.12.2013.