В последние годы в городе бурно развивается строительство с элементами точечной застройки. И здесь изыскателям и проектировщикам приходится сталкиваться с особыми условиями, так как предполагаемое строительство будет осуществляться во вновь сформированной и существующей уже десятки лет природно-технической системе. Поэтому и возникает необходимость еще на стадиях проекта дать прогноз развития инженерно-геологических процессов и учесть их влияние на уже сформированные природно-технические системы. Любой проект требует тщательного и внимательного подхода. Принятие обоснованных и верных проектных решений возможно лишь после тщательного изучения инженерно-геологических условий, их прогноза, построения инженерно-геологической модели и разработки системы геодинамического мониторинга [1].
Цель исследования: прогноз развития и влияния инженерно-геологических процессов на окружающие здания и сооружения.
Материалы и методы исследования
В административном отношении торговый центр «Пассаж» находится в квартале ул. Вайнера – пр. Ленина – пер. Банковский – пер. Театральный в Ленинском районе г. Екатеринбурга.
В геоморфологическом отношении участок располагается в пределах погребенной под насыпными грунтами аккумулятивной террасы р. Исеть и водораздельной части коренного склона. Площадка расположена в центральной исторической части города.
В геологическом отношении (Б.И. Кузнецов) исследуемая площадка приурочена к Балтымскому габбровому массиву, контактирующему с метаморфическими породами силурийского возраста. Площадка характеризуется неглубоким залеганием кровли скальных грунтов. В пределах исследованного разреза коренные породы не представляют собой единый однородный массив, а в силу процессов физического и химического выветривания он разбит трещинами на системы блоков. По степени выветрелости габбровые породы подразделяются на сильновыветрелые, выветрелые и слабовыветрелые с развитием активной трещиноватости.
Площадка расположена в зоне прохождения второстепенных ветвей тектонического разлома с системой мелких тектонических трещин, которые могут проявлять некоторую активность на современном этапе (рис. 1). Территории исследованного участка присуща современная геодинамическая подвижность.
Условные обозначения:
|
|
Линии разломов |
|
|
Контур площадки проектируемого строительства |
Рис. 1 Фрагмент геотектонической карты листа О-41-110А (г. Екатеринбург)
В гидрогеологическом отношении рассматриваемая территория расположена в пределах Восточно-Уральской гидрогеологической области групп бассейнов коровых вод, выделяемых в составе провинции Большеуральского сложного бассейна корово-блоковых вод. Региональным развитием здесь пользуются подземные воды с трехчленным строением разреза водовмещающих коллекторов по типу проницаемости: поровым, трещинным и трещинно-жильным.
На исследуемой площадке трещинная и трещинно-жильная водоносные зоны образуют горизонт подземных коровых вод, приуроченный к трещиноватой зоне регионального выветривания коренных пород, гидравлически связанный с бассейном р. Исеть и ее притоков.
Режим грунтовых вод полностью отражает условия их питания. Самый низкий уровень вод наблюдается в конце зимнего периода (март), высший – в конце апреля – начале мая в долинах рек и в июле-августе – на склонах и крутых возвышенностях. Амплитуда колебания уровней в долинах рек 1,0–1,5 м, на склонах водоразделов и на самих водоразделах – 1,5–5,0 м и более [2].
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ инженерно-геологических условий проектируемого сооружения позволил установить, что в его пределах получили развитие следующие геологические процессы: выветривание, трещиноватость, подтопление, изменение динамического режима подземных вод, что в свою очередь обуславливает развитие процессов суффозионного выноса, проседания и обрушения земной поверхности [3].
Процесс выветривания приводит к формированию специфических грунтов – элювия, характеризующегося неоднородностью строения и физико-механических свойств. Наличие в строении разреза основания проектируемого сооружения элювиальных грунтов может привести к росту значений величин вертикальных и горизонтальных осадок земной поверхности и, как следствие, к формированию обрушений в бортах котлована.
Целью изучения и оценки процесса выветривания на объекте является установление закономерностей распространения элювиальных грунтов, вертикальной зональности, изменения физико-механических свойств грунтов, в пределах выделенных инженерно-геологических зон, а также прогноз возможных сценариев поведения их при техногенном воздействии [4]. Процесс выветривания в пределах изучаемой площадки развит повсеместно. Продуктами выветривания являются элювиальные грунты (ИГЭ-2, ИГЭ-3, ИГЭ-4, ИГЭ-5, ИГЭ-6), образовавшиеся по меланократовому габбро. Сформировавшиеся коры выветривания древние (eMz), площадные.
Элювиальные образования представлены двумя основными видами выветривания: физическим и химическим, с преобладанием первого. В вертикальном профиле кор выветривания выделены следующие зоны: обломочная, представленная щебенистыми грунтами габбро зеленовато-бурого, зеленого цвета. Щебень малопрочный, ломается руками, по массе и поверхности интенсивно ожелезнен. Заполнителем является супесь пылеватая с содержанием 15–40 %. Мощность вскрытых пород 0,4–2,5 м; трещинная, представлена габбро меланократовым различной степени трещиноватости и выветрелости. До глубины 7,0 м порода интенсивно трещиноватая. Трещины открытые. Выделяется два типа заполнителя трещин: супесчаный, приводящий к ослаблению массива пород; кварцевый в виде прожилков мощностью от 0,5–0,8 см (укрепляющий массив).
Кроме того, по поверхностям трещин развиты гидроокислы железа, хлориты. Ниже глубины 7,0–9,0 м интенсивность трещиноватости уменьшается, вместе с этим уменьшается и количество гидроокислов железа.
Обследование стенок котлована (рис. 2) показало, что в пределах северной стенки на глубине 3,0–3,5 м прослеживается система крутопадающих трещин с падением на юг. Наличие таких трещин разбивает массив на блоки размером до 20–30 см. Поверхности трещин ожелезнены и могут являться поверхностями ослабления [5].
Рис. 2. Общий вид котлована
Рис. 3. Неравномерный характер залегания кровли скальных грунтов в пределах северной стенки котлована
Закономерности распространения элювиальных грунтов хорошо видны в северной и западной стенках котлована (рис. 3). Граница между обломочной и трещинной зонами имеет неровный характер с формированием карманов, выполненных рухляком.
В нашем случае влияние процесса выветривания может рассматриваться по двум различным сценариям развития негативных последствий.
Элювиальные грунты будут слагать стенки котлована. В первом случае при вскрытии котлована грунты обломочной зоны и рухляки могут потерять устойчивость. В этом случае на таких участках возможно образование обрушений и осыпей. При нарушении устойчивости пород трещинной зоны возможно образование обрушений.
Во втором случае при долгом простаивании котлована в открытом виде длительное время может произойти потеря прочности, что приведет к снижению несущей способности грунтов. Степень трещиноватости с глубины 9,0 м резко уменьшается.
Возможными зонами развития инженерно-геологических процессов будут являться участки залегания: техногенных грунтов (ИГЭ-1); щебенистых грунтов (ИГЭ-2); сильновыветрелых скальных грунтов (ИГЭ-3); сильнотрещиноватых скальных грунтов (ИГЭ-4).
Логическим завершением изучения и оценки степени выветривания и характера трещиноватости массива пород является оценка его устойчивости и прогноз развития опасных и неблагоприятных инженерно-геологических процессов.
Прогноз устойчивости массива пород слагающего борта котлована выполнен на основании многопараметрической классификации Н.С. Булычева. Однако, ввиду неполноты данных о характере и степени трещиноватости массива пород основания проектируемого объекта, по ряду параметров, входящих в интегральную оценку устойчивости, был задействован метод аналогий. На основе комплексной оценки строения, состава и свойств пород, а также степени проработки процессом выветривания в массиве пород выделены 5 классов устойчивости.
Устойчивые породы (I–II класс) представлены габбро средней прочности (ИГЭ-5) и прочными (ИГЭ-6), слабовыветрелыми. Опасные геологические процессы в породах данного класса не прогнозируются. Породы средней устойчивости (III класс) представлены малопрочным габбро (ИГЭ-4), выветрелым. В породах данного класса возможно сползание блоков, осыпей. Неустойчивые породы (IV класс) сложены габбро пониженной прочности, сильновыветрелым (ИГЭ-3) – рухляк. В породах данного класса возможно сползание блоков, обрушения. Весьма неустойчивые породы (V класс) представлены щебенистыми грунтами по габбро (ИГЭ-2), с супесчаным заполнителем от 15 до 40 % и насыпным грунтом (ИГЭ-1). Порода неустойчивая – при вскрытии котлованом будут отмечаться осыпи, а при замачивании бортов возможно развитие оплывин.
Трещиноватость пород и неоднозначный характер её проявления привели к неоднородности и анизотропности массива пород и невозможности перенесения лабораторных значений показателей физико-механических свойств на массив без учета «масштабного» эффекта, проявление которого выражается в уменьшении средних значений прочностных свойств с увеличением объёма исследуемых порoд. Для однорoдных, слаботрещиноватых пород эти изменения носят незначительный характер, а для сильнотрещиноватых необходим учет влияния «масштабного эффекта» [6].
Ориентировочные углы заложения бортов котлована на глубину вскрытия до 16 м приведены в таблице.
Ориентировочные углы наклона стенок проектируемого котлована на глубину отработки 16 м
|
Характеристика горных пород |
Мощность вскрываемых пород, м |
Пространственная ориентация стенок котлована |
||
|
Северная стенка |
Южная стенка |
Западная и восточная стенка |
||
|
Весьма неустойчивые (V класс) |
<3,5 |
До 45 |
До 45 |
До 45 |
|
Неустойчивые (IV класс) |
<1,0 |
60–62 |
71–74 |
67–70 |
|
Средней устойчивости (III класс) |
< 2,0 |
65–68 |
73–76 |
71–74 |
|
Устойчивые (I–II класс) |
< 11,5 |
67–70 |
78–81 |
73–76 |
Анализ гидрогеологических условий и моделирование динамики уровня грунтовых вод в процессе сооружения котлована установили, что на локальных участках возможна активизация процессов суффозионного выноса [7].
Проявление суффозии приведёт к формированию участков разуплотнения в щебенистых грунтах в результате механического выноса мелкодисперсных частиц при организации строительного водопонижения в момент проходки котлована и эксплуатации здания «Пассажа».
Для оценки способности грунтов противостоять поровой суффозии использовались разработки ВНИИГ имени Б.Б. Веденеева, Н.М. Бочкова, В.С. Истоминой. Согласно этим методикам потоком подземных вод выносятся наиболее мелкие фракции (< 0,05 мм). При этом устойчивость грунтов сохраняется, если их количество не превышает 5 % массы грунта [5].
Кроме того, установлено, что суффозия развивается преимущественно в грунтах с коэффициентом неоднородности (Kd) гранулометрического состава более 20, и при наличии гидравлического градиента более 0,3. Крайне редко суффозии подвержены грунты с коэффициентом неоднородности гранулометрического состава 3–20 и гидравлическим градиентом 0,3–1 [5]. Анализ неоднородности гранулометрического состава щебенистых грунтов площадки строительства установил, что они в большинстве своем (ИГЭ-2) являются крайне неустойчивыми, так как Kd > 20. Дресвяный грунт относится к категориям суффозионно-устойчивого и суффозионно-неустойчивого (Kd = 6,0–28,6).
Выводы
Наличие элювиальных грунтов, являющихся продуктами выветривания, требует тщательного изучения ввиду возможности появления негативных последствий.
Наиболее подвержены развитию инженерно-геологических процессов – щебенистый грунт габбро (ИГЭ-2), с супесчаным заполнителем и насыпной грунт (ИГЭ-1). Они являются весьма неустойчивыми и имеют наименьший угол заложения бортов проектируемого котлована.
Установленные значения гидравлических градиентов (0,001–0,011) свидетельствуют о невозможности проявления, как в естественных условиях, так и при повышении уровня грунтовых вод, процессов суффозии, так как их значения значительно меньше начальных условий развития суффозии. Это указывает на невозможность проявления механической суффозии при строительном водопонижении в момент проходки котлована.