Для резкого изменения геологической среды необходимо, чтобы на нее было оказано внешнее влияние посредством появившихся или изменившихся природных и техногенных факторов. В природе при отсутствии влияния инженерно-хозяйственной деятельности человека изменение компонентов геологической среды происходит, как правило, довольно медленно. На появившееся техногенное влияние геологическая среда реагирует более быстро и остро, так как скорость появления техногенной нагрузки очень быстрая по сравнению с изменением природных факторов и, как правило, техногенное влияние происходит не для всей территории в целом, а для какой-то ее части, может, даже и не совсем большой по площади. Но даже эта незначительная часть может в будущем оказывать существенное влияние на сопредельные территории [1–3].
Интенсивное строительство различных зданий и инженерных сооружений на территории г. Читы началось во второй половине XX века. Строительство инженерных сооружений осуществлялось как по I, так и по II принципу, т.к. среднегодовая температура воздуха на тот момент времени составляла -3,1 °С. В настоящее время повышение температуры воздуха привело к деградации многолетнемерзлых пород на некоторой части территории города, что привело к изменению инженерно-геологических условий. Дополнительное влияние на геологическую среду оказала урбанизация г. Читы [4–6].
В результате все вышеперечисленное привело к изменению инженерно-геологических условий территории, вследствие чего часть инженерных сооружений находится в ограниченно работоспособном или аварийном состоянии [7; 8].
Целью исследования являлось изучение изменений инженерно-геологических условий территории вследствие строительства многоэтажного жилого дома в г. Чите.
Материалы и методы исследования
В административном отношении площадка исследования расположена в северо-западной части г. Чита в Черновском административном округе. В геоморфологическом отношении площадка исследования расположена в пределах эрозионно-аккумулятивной террасы речной долины рек Ингода и Чита [9]. Район работ относится к Читино-Ингодинской впадине.
На данной площадке исследования планировалось строительство многоэтажного здания нормального уровня ответственности по II принципу строительства. Размеры здания в плане 54х13,5 м, тип фундамента ленточный, глубина заложения 2,1–2,8 м от поверхности земли, абсолютная отметка подошвы фундамента в Балтийской системе высот составила 665,40, высота технического подполья 1,80 м, нагрузка на фундаменты 700 кН/м.
На момент выполнения инженерно-геологических работ ОАО «ЗабайкалТИСИЗ» в 2016 г. площадка была ровной, свободной от строений, абсолютные отметки поверхности изменялись от 667,80 до 668,05 м по Балтийской системе высот. На участке исследования было пробурено 3 инженерно-геологические скважины глубиной по 18 м от поверхности земли. Скважины были пробурены в соответствии с действующими нормативными документами, а также с учетом сжимаемой зоны от сооружения [10].
В геологическом строении площадки принимали участие четвертичные отложения техногенного (tQ), аллювиального (aQ) и элювиального (eQ) генезиса (рис. 1). На рис. 1 красным контуром показана граница будущего котлована. Техногенные отложения залегали с поверхности до глубины 0,7 м. Аллювиальные отложения залегали в верхней части разреза, под техногенными отложениями. Аллювиальные отложения были представлены связными дисперсными грунтами – суглинками тугопластичной и мягкопластичной консистенции. Элювиальные отложения представлены продуктами выветривания терригенно-осадочных образований нижнемелового возраста алевролитов и песчаников (К1), выветрелых до состояния мелкодисперсных грунтов (алевролиты разрушены до состояния суглинка и супеси, песчаник разрушен до состояния песка средней крупности (дисперсная зона коры выветривания)). В толще дисперсной коры выветривания встречаются прослои слабовыветрелых песчаников средней прочности. Мощность прослоев песчаников изменяется от 0,10–0,15 до 1 м. В геокриологическом отношении грунты находились в талом состоянии до глубины 18,0 м от поверхности земли. Верхняя зона коры выветривания более выветрелая (2,0–3,0 м), чем породы, которые залегают глубже.
Гидрогеологические условия исследуемой площадки характеризовались распространением грунтовых вод элювиальных отложений трещинного типа. Грунтовые воды были вскрыты всеми пробуренными скважинами. Воды имели местный напор, который составлял от 1,4 до 2,2 м.
Рис. 1. Инженерно-геологический разрез участка до начала строительства
В 2016 г. в результате лабораторных исследований и камеральной обработки материалов выполненных работ было выделено 4 инженерно-геологических элемента [ГОСТ 25100, ГОСТ 20522]. Свойства грунтов определялись в соответствии с действующими нормативными документами [ГОСТ 5180, ГОСТ 12536, ГОСТ 12248]. Механические свойства грунтов определялись на основе методов компрессионного сжатия и одноплоскостного среза. Значения деформационных характеристик определялись в интервалах нагрузок 0,3–0,4 МПа.
Площадка исследования в соответствии с действующими нормативными документами (СП 47.13330.2016, СП 47.13330.2012, СП 11-105-97) по сложности инженерно-геологических условий для строительства была отнесена ко II категории (средней) сложности.
В период с 2016 г. по осень 2017 г. на природную среду на площадке исследования было оказано техногенное воздействие. Техногенное воздействие выразилось во вскрытии котлована под фундаменты (глубина котлована изменялась от 2,1 до 2,8 м), устройстве «нулевого» цикла строительства (установке фундаментов), засыпке пазух фундамента, монтаже жилых этажей здания.
Осенью 2017 г. были выполнены дополнительные инженерно-геологические работы, которые включали в себя бурение инженерно-геологических скважин, лабораторные исследования свойств грунтов и камеральную обработку полученных данных. Выполненные инженерно-геологические исследования показали, что произошло изменение инженерно-геологических условий на площадке строительства многоквартирного жилого дома вследствие техногенного воздействия. Техногенное воздействие на геологическую среду на данной территории выразилось в промораживании и замачивании грунтов основания. Мерзлые грунты появились в результате того, что были выполнены вскрышные работы для устройства котлована под фундаменты в период с отрицательными температурами (конец осени 2016 г. – начало зимы 2017 г.). В результате началось промерзание грунтов на подошве котлована, и это привело к концу зимы (февраль 2017 г.) к образованию мерзлых пород типа «перелеток», мощность которых составила до 2,0 м (на момент бурения скважин октябрь 2017 г. (рис. 2). При устройстве ленточных фундаментов была нарушена технология обратной засыпки пазух между фундаментом и стенками котлована. Вследствие этого в насыпных грунтах обратной засыпки пазух образовались поры. По этим порам вода от выпавших осадков в виде дождя в летний период стала поступать и аккумулироваться на подошве котлована. В результате этого произошло формирование водоносного горизонта типа «верховодка» в техногенных отложениях, это, в свою очередь, привело не только к замачиванию грунтов основания, но и к увеличению мощности грунтов, подвергнувшихся замачиванию, так как в активной зоне от сооружения залегали быстро размокающие грунты. В результате этого влияния некоторая часть грунтов ИГЭ-3 (суглинка тугопластичного), которые залегали рядом с подошвой вскрытого котлована, изменили свои физико-механические характеристики, и соответственно, их уже можно было отнести к грунтам ИГЭ-2 (суглинка мягкопластичного), а также в целом произошло ухудшение физико-механических характеристик грунтов в сжимаемой зоне сооружения в сторону увеличения их сжимаемости по модулю деформации и уменьшения сцепления и угла внутреннего трения. Об этом свидетельствует увеличение природной влажности грунтов, показателя текучести, коэффициента пористости грунтов, уменьшение плотности при природной влажности. К тому же в результате аккумуляции вод от выпадающих осадков и утечек техногенных вод образовался водоносный горизонт типа «верховодка». Вместе с тем, в связи с промораживанием грунтов основания, суглинок твердый (ИГЭ-4) изменил свое состояние с талого на мерзлое, чем еще больше усилил свои противофильтрационные свойства.
Изменившийся инженерно-геологический разрез грунтов приведен на рис. 2. Красной пунктирной линией показан контур котлована под фундаменты, а фиолетовым цветом – мерзлые породы типа «перелеток» (рис. 2).
Рис. 2. Изменившийся инженерно-геологический разрез после техногенного влияния (2017 г.)
В 2018 г. были выполнены дополнительные инженерно-геологические работы с целью получения информации об инженерно-геологических условиях площадки исследования. На объекте исследования были пробурены дополнительные инженерно-геологические скважины. Часть из этих скважин была пробурена за пределами участка вскрытого котлована, для установления неизменности природных условий за пределами территории, подвергшейся техногенному воздействию. Другая часть скважин была пробурена в непосредственной близости от внешних несущих стен построенного здания и поэтому попала в засыпанный котлован, чтобы установить дальнейшую динамику инженерно-геологических условий площадки исследования, в сжимаемой зоне сооружения. Для определения физических свойств грунтов непосредственно под подошвой фундамента предусматривалась проходка двух шурфов из подвала здания с разных торцов площадки исследования. Для уточнения отметки кровли бетонной подушки фундамента внутри подвала дома при помощи переносной малогабаритной буровой установки были пройдены дополнительные скважины.
В результате повторного изучения инженерно-геологических условий было выявлено следующее:
а) геолого-литологический разрез по скважинам, пробуренным за пределами контура котлована, идентичен ранее выполненным изысканиям, это свидетельствует об изменении инженерно-геологических условий только в пределах существующего сооружения (контура котлована), после производства земляных работ;
б) в пробуренных скважинах в пределах исследуемой глубины 6,0 м мерзлые грунты отсутствуют, т.е. произошла деградация мерзлых пород, которые ранее были вскрыты в сезоннодеятельном слое;
в) проходка шурфов на глубине 0,5 м от пола подвала была прекращена из-за наличия грунтовых вод типа «верховодки»;
г) в результате техногенного воздействия на геологическую среду суглинок тугопластичный изменил свои физико-механические характеристики и стал суглинком мягкопластичным;
д) в пределах площадки вскрыты два горизонта подземных вод:
– первый горизонт – воды типа «верховодка», которые вскрыты в насыпных грунтах внутри сооружения на глубинах 0,3–0,5 м от пола подвала и на глубинах 1,1–1,5 м от поверхности земли (по данным бурения инженерно-геологических скважин и проходки шурфов) (рис. 3);
Рис. 3. Инженерно-геологический разрез территории на 2018 г.
– второй горизонт – воды элювиальных отложений, вскрыты на глубине 4,5 м от поверхности земли, что соответствует отметкам 663,37–663,74 м, т.е. произошел подъем воды на 1,0 м по сравнению с ранее выполненными изысканиями;
е) дальнейшее размокание грунтов основания здания в пределах котлована продолжается, так как мощность замоченного грунта увеличилась с 0,65–0,90 м (2017 г.) до 1,12 м (2018 г.). Следовательно, можно предположить, что продолжается аккумуляция жидких осадков в виде дождя на подошве котлована и непосредственно под фундаментом в сжимаемой зоне. Возможен также подток вод техногенного происхождения в подвал здания из-за утечек из инженерных сетей;
ж) изменения основных физико-механических характеристик грунтов показаны в таблице. На основании сравнения данных, приведенных в таблице, можно увидеть, что с увеличением природной влажности, показателя текучести, коэффициента пористости происходит уменьшение плотности грунта ИГЭ-2 (суглинка мягкопластичного), что приводит к снижению деформационно-прочностных характеристик грунта. Суглинок тугопластичный (ИГЭ-3) вследствие замачивания стал суглинком мягкопластичным (ИГЭ-2). На основании сравнения данных из таблицы можно сделать вывод о том, что увеличение пористости аллювиальных суглинков явилось следствием промораживания грунтов основания котлована, а увеличение показателя консистенции и снижения модуля деформации – следствием промораживания и последующего оттаивания в условиях замачивания. В то же время из данной таблицы видно, что характеристики элювиальных грунтов практически не изменились, и они сохранили свои деформационные и несущие свойства.
Изменение значений основных физико-механических характеристик грунтов в период с 2016 по 2018 г.
|
Характеристики грунтов |
Единицы измерения |
2016 г. |
2017 г. |
2018 г. |
|
Суглинок аллювиальный |
||||
|
Природная влажность |
д.е. |
0,187 |
0,255 |
0,299 |
|
Показатель текучести |
д.е. |
0,31 |
0,70 |
0,72 |
|
Плотность грунта при природной влажности |
г/см3 |
2,00 |
1,91 |
1,88 |
|
Плотность сухого грунта |
г/см3 |
1,72 |
1,48 |
1,45 |
|
Коэффициент пористости |
д.е. |
0,563 |
0,782 |
0,829 |
|
Коэффициент водонасыщения |
д.е. |
0,897 |
0,970 |
0,952 |
|
Модуль деформации |
МПа |
20 |
10 |
8 |
|
Удельное сцепление |
кПа |
31 |
18 |
16 |
|
Угол внутреннего трения |
град. |
21 |
17 |
16 |
|
Суглинок элювиальный |
||||
|
Природная влажность |
д.е. |
0,161 |
0,179 |
0,188 |
|
Показатель текучести |
д.е. |
<0 |
<0 |
<0 |
|
Плотность грунта при природной влажности |
г/см3 |
2,02 |
1,98 |
1,98 |
|
Плотность сухого грунта |
г/см3 |
1,75 |
1,68 |
1,67 |
|
Коэффициент пористости |
д.е. |
0,516 |
0,570 |
0,572 |
|
Коэффициент водонасыщения |
д.е. |
0,820 |
0,830 |
0,861 |
|
Модуль деформации |
МПа |
17 |
17 |
17 |
|
Удельное сцепление |
кПа |
40 |
40 |
40 |
|
Угол внутреннего трения |
град. |
21 |
21 |
21 |
з) территория исследования стала относится к III (сложной) категории инженерно-геологических условий для строительства и эксплуатации зданий и инженерных сооружений. На данных территориях необходимо выполнять весь комплекс работ по изучению геологической среды, а также необходимы дополнительные мероприятия по укреплению грунтов основания.
Заключение
1. В результате отрицательного техногенного вмешательства на геологическую среду произошло существенное изменение инженерно-геологических условий площадки строительства. Основными причинами ухудшения свойств грунтов стали промораживание котлована и последующее оттаивание в условиях замачивания. В результате этого произошло снижение деформационно-прочностных характеристик грунтов в сжимаемой зоне, и, как следствие, под фундаментом здания оказались грунты, которые не могут служить надежным основанием.
2. Из-за того что сильнодеформируемые грунты оказались под подошвой фундамента построенного здания, начались неравномерные осадки грунта по площади, в результате чего на несущих конструкциях здания появились следы деформаций, которые проявились в виде трещин по центру здания, также было выявлено отклонение стен от вертикали.
3. Территория исследования изменила категорию сложности инженерно-геологических условий со II (средней сложности) на III (сложную) категорию, что привело не только к необходимости всестороннего доизучения геологической среды, но и к существенному удорожанию строительства на данной площадке исследования, так как теперь необходимо принимать дополнительные меры по стабилизации грунтов основания для того, чтобы прекратить деформации здания.
4. Для принятия каких-либо мер по улучшению инженерно-геологических условий необходим долгосрочный мониторинг геологической среды, а также комплексные мероприятия по стабилизации грунтов основания, с привлечением специализированных научных организаций, которые бы обладали высококвалифицированными специалистами в данной области.