Инженерно-геологическое обоснование строительства высотных зданий в г. Санкт-Петербурге

На правах рукописи

 

ЖУКОВА Анна Михайловна

 

 

Инженерно-геологическое ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

В Г. сАНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

 

 

 

 

Специальность 25.00.08 –  Инженерная геология, мерзлотоведение  и грунтоведение

 

 

 

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете

 

 

Научный руководитель –

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Дашко Регина Эдуардовна

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Королев Владимир Александрович

кандидат геолого-минералогических наук, доцент

Корвет Надежда Григорьевна

 

Ведущее предприятие – ООО «ПИ Геореконструкция»

 

 

 

Защита диссертации состоится  28 сентября 2011 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

 

Автореферат разослан 26 августа 2011 г.

 

 

 

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

канд. геол.-минерал. наук                             А.В. ШИДЛОВСКАЯ

 
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность  работы. Стратегия интенсивного развития мегаполисов предполагает необходимость возведения высотных зданий при обязательном использовании подземного пространства. Сложность инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга при отсутствии опыта проектирования и строительства тяжелых зданий требует выделения территорий, перспективных и экономически оправданных для возведения таких сооружений.

В мировой практике тяжелые высотные здания чаще всего возводятся на скальных породах, которые в Санкт-Петербурге залегают на глубинах 180-250 м, что предопределяет необходимость использования в качестве основания вышезалегающие глинистые отложения верхнего венда и нижнего кембрия. В инженерно-геологической практике эти отложения не рассматривались в качестве основания высотных сооружений.

Проблема возведения высотных зданий в различных странах  связана с именами известных архитекторов: Ван дер Роэ, Ле Корбюзье, О. Нимейер, Н. Фостер и др. В настоящее время проектирование высотного строительства в сложных инженерно-геологических условиях проводится под руководством Р. Катценбаха, А. Шмита, Дж. Дэвиса, Г. Поулоса и др. В России научно-практическим обеспечением возможности высотного строительства занимаются В.М. Улицкий, В.И. Ильичев, В.П. Петрухин, В.И. Осипов, Р.С. Зиангиров, З.Г. Тер-Мартиросян, В.И. Шейнин, И.В. Колыбин, А.Г. Шашкин, О.А. Шулятьев и др.

В 2006 г. специалистами  ГУ НИПЦ «Генплана СПб» была составлена схема размещения высотных зданий вне исторического центра в виде доминантных кластеров без учета инженерно-геологических условий территории, в том числе структурно-тектонических и гидрогеологических особенностей, которые необходимо принимать во внимание для оценки степени сложности устройства фундаментов тяжелых зданий. Кроме того, большое значение имеет история и длительность освоения территории, которые определяют степень контаминации подземной среды и, соответственно, негативные изменения ее компонентов.

Цель работы. Инженерно-геологическое обоснование безопасности строительства и эксплуатации высотных зданий в условиях освоения и использования подземного пространства на территориях выделенных доминантных кластеров.

Основные  задачи исследований

1. Изучение структурно-тектонических условий территорий доминантных кластеров для анализа специфики зонального строения и дезинтегрированности коренных глинистых пород осадочного чехла как основания высотных зданий. 2. Исследование влияния гидродинамического и гидрохимического режимов высоконапорных водоносных горизонтов на условия строительства и эксплуатации высотных зданий. 3. Оценка возможности развития негативных инженерно-геологических процессов при ведении работ нулевого цикла, в том числе устройстве глубоких котлованов.4. Создание инженерно-геологических моделей взаимодействия высотных зданий с глинистыми породами основания с учетом особенностей их макро- и микростроения. 5. Разработка рекомендаций по оценке особенностей инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации высотных зданий в Санкт-Петербурге для совершенствования нормативной базы проведения изысканий и проектирования уникальных сооружений.

Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены исследования автора, которые проводились в период обучения в аспирантуре и магистратуре с 2006 г. по 2011 г., в том числе анализ большого объема фондовых материалов по инженерно-геологическим особенностям г. Санкт-Петербурга, включая структурно-тектонические, гидрогеологические и геоэкологические условия. Кроме того, автором выполнялась полевая документация скважин, а также экспериментальные исследования для определения влияния макро- и микротрещиноватости коренных глин на их прочность и деформационную способность.

Основные методы исследований. Инженерно-геологический анализ условий формирования состава, состояния и физико-механических свойств четвертичных и коренных глинистых пород, современные методы изучения гранулометрического состава, сопротивления сдвигу и деформационных свойств на установках трехосного сжатия, расчетно-теоретические методы по обоснованию устойчивости проектируемых сооружений и прорывам подземных вод в котлованы.

Реализация результатов исследований. Научно-практические разработки по инженерно-геологическому обоснованию условий для строительства высотных зданий вне исторического центра Санкт-Петербурга, инженерно-геологические модели основания и принципы инженерно-геологического обеспечения проведения работ нулевого цикла высотного строительства будут применяться при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и проектированию высотных зданий, а также будут внедряться рядом организаций, таких как СПб НИИ градостроительного проектирования, ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», ЗАО «Институт ЛЕНПРОМСТРОЙПРОЕКТ», ООО «ПИ Геореконструкция».

Научная новизна  работы

• Установлено влияние структурно-тектонических условий на зональность строения верхнекотлинских глин верхнего венда и закономерности изменения их дезинтегрированности, прочности и деформационной способности.
• Предложены инженерно-геологические модели оснований высотных зданий для двух типов глинистых пород, рассматриваемых как трещиновато-блочная либо тонкопористая среда.
• Получены закономерности изменения прочности и деформационной способности верхнекотлинских глин в зависимости от размера образца и объемного напряженного состояния на основе экспериментальных исследований.
• Установлено влияние восходящего перетекания минерализованных хлоридных натриевых вод на снижение несущей способности верхнекотлинских глин в основании проектируемых зданий.

Защищаемые  положения

1. Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге определяется положением подземного контура кровли коренных пород, степенью их тектонической и нетектонической дезинтеграции, гидродинамическим и гидрохимическим режимами водоносных горизонтов, а также газодинамическими явлениями в подземном пространстве рассматриваемой территории.
2. Технология проведения работ нулевого цикла, в том числе устройства глубоких котлованов в четвертичных отложениях, должна базироваться на комплексном изучении степени преобразования их состояния и физико-механических свойств под воздействием природных и техногенных факторов, влияния напорных вод, в том числе глубоких водоносных горизонтов и степени освоенности прилегающей территории.
3. Безопасность эксплуатации высотных зданий зависит от степени полноты и достоверности инженерно-геологической информации, которая должна включать исследования интенсивности техногенеза пород и подземных вод в основании, динамики изменения его напряженно-деформированного состояния под влиянием гидродинамических факторов, а также возможности развития различных типов коррозии конструкционных материалов.

Практическая  значимость работы.

• Охарактеризованы основные инженерно-геологические особенности территорий доминантных кластеров, определяющие безопасность освоения подземного пространства при устройстве глубоких котлованов и условия эксплуатации высотных зданий.
• Дано обоснование общих и специальных инженерно-геологических критериев для проведения инженерных изысканий и проектирования высотных зданий в условиях Санкт-Петербурга.
• Предложен алгоритм учета микро- и макротрещиноватости для оценки показателей прочности и деформационной способности верхнекотлинских глин верхнего венда как основания высотных зданий.

Достоверность научных положений и выводов базируется на большом объеме выполненных теоретических и научно-практических исследований по формированию и изменению физико-механических свойств коренных глинистых пород Санкт-Петербурга, проведении полевых и лабораторных исследований по прочности и деформационной способности глинистых пород различного возраста и генезиса. В диссертации использован большой объем экспериментальных исследований по обоснованию особенностей взаимодействия тяжелых сооружений с глинистыми породами основания как трещиновато-блочной или тонкопористой среды. В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ, с непосредственным участием автора: «Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обеспечение высотного строительства и освоения подземного пространства в мегаполисах» (2009 г), «Состояние и стратегия развития научной школы «Инженерная геология» по приоритетным направлениям НИУ» (2010 г).

Апробация работы.

Основные положения  диссертационной работы докладывались  и обсуждались на научных конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГИ(ТУ), Санкт-Петербург, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), «Инженерные изыскания в строительстве» (ОАО «ПНИИИС», Москва, 2011 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности при использовании современных технологий строительства подземных сооружений в сложных условиях городской застройки» (ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», Санкт-Петербург, 2008 г.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2008, 2010, 2011 гг.), международных конференциях молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009 и 2010 гг.) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2010 и 2011 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 8 опубликованных работах, в том числе 4 статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы.

Диссертация изложена на 256 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 140 наименований, содержит 88 рисунков, 34 таблицы.

Автор выражает искреннюю  признательность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. профессору Р.Э. Дашко, автор благодарит: заведующего кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ д.г.-м.н., проф. Антонова В.В., д.г.-м.н., проф. Иванова И.П., к.г-м.н., доц. Петрова Н.С., к.г-м.н., доц. Норову Л.П., к.г-м.н., доц. Николаеву Т.Н., к.г-м.н., доц. Шидловскую А.В., к.г-м.н., доц. Поспехова Г.Б., к.г-м.н., асс. Александрову О.Ю., к.г-м.н., асс. Котюкова П.В., аспирантку Панкратову К.В. за обсуждение материалов диссертации.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ  ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге определяется положением подземного контура кровли коренных пород, степенью их тектонической и нетектонической дезинтеграции, гидродинамическим и гидрохимическим режимами водоносных горизонтов, а также газодинамическими явлениями в подземном пространстве рассматриваемой территории.

Планирование  высотной застройки Санкт-Петербурга по принципу доминантных кластеров, которые распределены по периферии его исторического центра, следует рассматривать как прогрессивное решение архитекторов (рис. 1), позволяющее использовать принцип интегрированного урбанизма, ключевым моментом которого служит концепция гармоничного сочетания зданий разной высоты с их различными социально-экономическими функциями. Иллюстрация воплощения такой идеи - застройка пригородов Парижа (Дефанс) и Лондона (Докленд). Подобное решение избавляет исторический центр города от неизбежной реконструкции и его архитектурного разрушения и позволяет сохранить «небесную линию», по образному выражению академика Д.С. Лихачева.

Сложность инженерно-геологических  условий возведения высотных зданий в Санкт-Петербурге, в первую очередь, определяется наличием тектонических разломов различного направления, к некоторым из которых приурочены погребенные долины различной глубины, прорезающие толщу коренных глин верхнего венда и нижнего кембрия и заполненные четвертичными отложениями. Вне погребенных долин кровля коренных пород прослеживается на глубинах 20-25 м и менее, в зонах погребенных долин – до 120 м. В зонах распространения погребенных долин мощность осадочной толщи коренных пород постепенно снижается от их склоновой части к тальвегу. Глубина вреза палеодолины определяет мощность четвертичных песчано-глинистых отложений различного состояния, часто с неустойчивой формой консистенции, а также количество водоносных горизонтов (рис. 2). В глубоких погребенных долинах обычно прослеживаются морены нескольких стадий оледенения, межледниковые отложения различного генезиса, в том числе с природными газопроявлениями – микулинские слои в юго-восточной и восточной частях города, а также на севере города в районе Мурино. При освоении подземного пространства в пределах палеодолин, в том числе устройстве глубоких котлованов, проходке тоннелей, возрастает вероятность проявления «истинных» и «ложных» плывунов, тиксотропии глинистых грунтов, прорывов напорных вод и/или газов, а также активизации коррозионных процессов конструкционных материалов. Вне зон влияния тектонических разломов и погребенных долин коренные глинистые породы характеризуются зональным строением по глубине, что находит свое выражение в закономерном изменении физико-механических свойств и степени трещиноватости толщи глин, что следует рассматривать как фактор, влияющий на их прочность и несущую способность.