Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

ПРОГНОЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОРОДСКОГО КОЛЛЕКТОРА

Никифоров В.В. 1 Диниус Я.И. 2 Бахарева Н.С. 3
1 Горный институт Уральского отделения Российской академии наук
2 ООО «Научно-исследовательское
3 Пермский государственный национальный исследовательский университет
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 которой являются аварийные ситуации объектов промышленности, в том числе с непосредственной опасностью для жизни людей. 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.
гидрогеология
водопонижение
осадка грунтовой толщи
суффозия
провал
пористость
модуль деформации
1. Березнев В.А., Никифоров В.В. Инженерно-геологические методы исследования техногенных процессов // Инженерные изыскания в строительстве: материалы седьмой общероссийской конференции изыскательских организаций. – М.: ООО «Геомаркетинг», 2011. – 236 с.
2. Березнев В.А., Никифоров В.В. Суффозионные процессы техногенного происхождения в г. Перми // Инженерная геофизика. Тезисы докладов шестой международной научно-практической конференции и выставки. – М., 2011. – CD.
3. Лейбович Л.О., Середин В.В., Пушкарева М.В., Чиркова А.А., Копылов И.С. Экологическая оценка территорий месторождений углеводородного сырья для определения возможности размещения объектов нефтедобычи // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2012. – № 12. – С. 13–16.
4. Пушкарева М.В., Май И.В., Середин В.В., Лейбович Л.О., Чиркова А.А., Вековшинина С.А. Экологическая оценка среды обитания и состояния здоровья населения на территориях нефтедобычи пермского края // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. –2013. – № 2. – С. 40–45.
5. Пушкарева М.В., Середин В.В., Лейбович Л.О., Чиркова А.А., Бахарев А.О. Инженерно-экологическая оценка территории запасов подземных вод в связи с разработкой нефтяных месторождений // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2013. – № 2. – С. 9–13.
6. Середин В.В., Галкин В.И., Пушкарева М.В., Лейбович Л.О., Сметанин С.Н. Вероятностно-статистическая оценка инженерно-геологических условий для специального районирования // Инженерная геология. – 2011. – № 4.– С. 42–47.
7. Середин В.В., Галкин В.И., Растегаев А.В., Лейбович Л.О., Пушкарева М.В. Прогнозирование карстовой опасности при инженерно-геологическом районировании территорий. // Инженерная геология. – 2012. – № 2. – С. 40–45.
8. Середин В.В., Лейбович Л.О., Пушкарева М.В., Копылов И.С., Хрулев А.С. К вопросу о формировании морфологии поверхности трещины разрушения горных пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2013. – № 3. – С. 85–90.
9. Середин В.В., Пушкарева М.В., Лейбович Л.О., Бахарева Н.С. Методика инженерно-геологического районирования на основе балльной оценки классификационного признака // Инженерная геология. – 2011. – № 3. – С. 20–25.
10. Хоменко В. П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. – М.: ГЕОС, 2003. – 216 с.

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).

nik_1.tif

Рис. 1. Провал асфальтовой дороги при активизации суффозионных процессов

nik_2.tif

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.

nik_3.tif nik_4.tif

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

Таблица 1

Изменение пористости и модуля деформации в результате техногенного воздействия

№ ИГЭ

Коэффициент пористости, e

Модуль деформации, E, МПа

До техногенного воздействия

После техногенного воздействия

До техногенного воздействия

После техногенного воздействия

ИГЭ-1, 1а

0,786

0.821

6

2,54

ИГЭ-2

0,726

0,762

12

2,67

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.

nik_5.tif

Рис. 4. Понижение уровня подземных вод и суффозионный вынос

Таблица 2

Оценка несущей способности сваи в результате техногенного воздействия

Техногенное воздействие

Несущая способность сваи

Сопротивление сваи по грунту

До

381 кН

272,1 кН

После

167,4 кН

119,6 кН

Таблица 3

Расчет осадки ленточного фундамента в результате техногенного воздействия

Техногенное воздействие

Осадка, см

Норматив (максимальная осадка), см

Вывод

Методом послойного суммирования

Методом линейно-деформируемого слоя

До

11,6

11,3

8–12

Осадка не превышает нормативное значение

После

35,0

26,3

8–12

Осадка значительно превышает нормативное значение

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.


Библиографическая ссылка

Никифоров В.В., Диниус Я.И., Бахарева Н.С. ПРОГНОЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОРОДСКОГО КОЛЛЕКТОРА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-14. – С. 3171-3175;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32983 (дата обращения: 16.12.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252