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

В зонах разломов наблюдается нарушение зонального строения верхнекотлинских либо «синих»  нижнекембрийских глин за счет незакономерного  изменения их дезинтегрированности, изменчивости параметров физико-механических свойств, в том числе показателей прочности и деформационной способности.

Повсеместное распространение  нижнекотлинского водоносного горизонта, прослеживаемого ниже трещиноватых верхнекотлинских глин верхнего венда, для которого в настоящее время характерен постоянный рост напоров, предопределяет активность процесса восходящего перетекания минерализованных хлоридных натриевых вод этого горизонта, что требуют радикального пересмотра водоупорных свойств верхнекотлинских глин, особенно в зонах тальвегов глубоких палеодолин (см. рис.2).

Необходимо отметить, что  в южной части города под нижнекембрийскими  «синими» глинами либо непосредственно под четвертичными отложениями распространен напорный водоносный горизонт, приуроченный к ломоносовским песчаникам. Присутствие этого горизонта может приводить к прорывам напорных вод в глубокие котлованы, а также восходящему перетеканию вод через трещиноватые глины, в том числе по зоне контакта свай и вмещающей породы. На участках, где горизонт перекрывается непосредственно четвертичными отложениями, песчаники разрушены до состояния песков, которые часто в водонасыщенном состоянии обладают плывунными свойствами.

При возведении высотных зданий рекомендуется использовать территории, в разрезе которых отсутствуют погребенные долины, либо глубина их вреза не превышает 15-20 м. Тальвеговые зоны глубоких палеодолин должны быть исключены из рассмотрения при строительстве высотных сооружений.

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.

Возведение высотных зданий на территориях распространения  слабых грунтов в верхней части  разреза осадочной толщи предполагает необходимость освоения подземного пространства путем устройства глубоких котлованов и сооружения фундаментов глубокого заложения. Опыт устройства глубоких котлованов в Санкт-Петербурге в ряде случаев характеризуется развитием предаварийных и аварийных ситуаций, особенно в условиях плотной застройки, однако постепенно накапливаются положительные результаты по снижению негативного влияния на безопасность эксплуатации функционирующих зданий.

Развитие деформаций ограждающих конструкций котлованов может наблюдаться за счет ошибок, сделанных при изысканиях и повлекших за собой некорректность проектирования, в том числе: применения расчетных моделей, не соответствующих поведению конструкции в грунтовой водонасыщенной толще; ошибок в оценке напряженно-деформированного состояния при игнорировании действия гидростатических и гидродинамических сил; использования параметров механических свойств грунтов, полученных в приборах и/или по методикам, не отвечающим реальным условиям напряженного состояния и работы грунтов во взаимодействии с конструкциями; недостаточного учета возможности развития негативных процессов и явлений, связанных со спецификой инженерно-геологических условий.

Деформирование  стенок и дна котлована вызывает дополнительные и неравномерные  осадки, приводящие к образованию  трещин в несущих конструкциях окружающих зданий. Старинные здания и сооружения с высоким уровнем эксплуатационного износа могут переходить в аварийное состояние при дополнительных осадках, превышающих 2-3 см и их относительной величине более 0,001 согласно СП 22.13330.2011. Поскольку рассматриваемые в работе зоны доминантных кластеров расположены вне исторического центра, наличие плотной городской застройки практически исключается.

Инженерно-геологические  особенности четвертичных песчано-глинистых  грунтов, оказывающие существенное влияние на безопасность устройства глубоких котлованов и работ нулевого цикла, должны анализироваться с учетом возможности негативного преобразования грунтов при их контаминации и развития различных природно-техногенных процессов, в том числе высокой коррозионной агрессивности среды.

Выбор технологии устройства котлована должен базироваться на комплексном  подходе к оценке инженерно-геологических факторов и обязательном учете развития в локальном или региональном масштабе природных либо природно-техногенных процессов (табл.).

Все рассматриваемые  участки доминантных кластеров  характеризуются значительной степенью загрязнения подземного пространства, связанной с распространением действующих или захороненных болот, свалок, кладбищ, контаминированных насыпных и намывных отложений, ликвидированных водных объектов, что вызывает наличие в подземном пространстве таких процессов, как плывуны, тиксотропия глинистых отложений, биохимическое газообразование (см. табл.).

Развитие плывунов необходимо рассматривать как фактор, предопределяющий возможность их прорыва при проходке котлована, а также создающий дополнительное давление на его ограждение. Явление тиксотропии представляет серьезную опасность при динамическом погружении ограждающих конструкций в глинистые грунты, которые снижают свою прочность и переходят в подвижное состояние, передавая на ограждающие конструкции давления, не отвечающие проектным значениям для грунтов с трением и сцеплением.

Кроме того, необходимо учитывать влияние биохимической газогенерации в межморенных микулинских слоях (CH₄, N₂, CO₂), а также в современных и верхнечетвертичных отложениях при их техногенном загрязнении органическими соединениями. Действие газодинамического давления может вызывать прорывы газонасыщенных вод и грунтов, а также снижение прочности песчано-глинистых отложений при повышении содержания газовой составляющей в поровой воде (см. табл.).

В зонах распространения  напорных горизонтов - верхнего межморенного (полюстровского), нижнего межморенного и ломоносовского, а также линз и прослоев водонасыщенных песков в моренных отложениях возникает опасность прорывов подземных вод в котлован. В настоящее время пьезометрический уровень верхнего межморенного горизонта практически достигает отметки земной поверхности за счет прекращения эксплуатации Полюстровского месторождения минеральных вод более 30 лет назад.

Согласно проведенным  расчетам, даже относительно невысокие  напоры до 10 м в водонасыщенных песках могут вызвать прорыв воды со стороны дна котлована при наличии защитного водоупорного глинистого целика менее 5,0 м, при меньшем значении напора возможен подъем дна котлована при постепенном ослаблении прочности пород целика.

На территориях, характеризующихся опасностью прорывов напорных вод рекомендуется определять максимальную безопасную величину напора (давления) при условии работы защитного целика на сдвиг по формулам В.А. Мироненко и В.И. Шестакова или И.П. Иванова , где Н_без – безопасный напор; m – мощность целика породы; b – ширина строительного котлована; r – радиус выработки; s_х - горизонтальная составляющая давления собственного веса горных пород; К₀ – понижающий коэффициент; γ_в, γ - плотности воды и пород целика соответственно; с, f=tgφ – сцепление и коэффициент внутреннего трения горных пород целика; ξ- коэффициент бокового распора.

При превышении величины действующего напора над безопасным следует рассматривать возможность водопонижения при условии отсутствия негативных последствий. В зонах развития газонасыщенных грунтов рекомендуется устраивать газоразгрузочные скважины, при этом необходимо учитывать, что их радиус воздействия может значительно превышать зоны влияния депрессионных воронок при водопонижении. Однако снижение газодинамического давления не оказывает существенного влияния на рост эффективных напряжений.

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.

Основным критерием  длительной устойчивости высотного  сооружения служит предельно допустимое значение крена, которое обычно определяется индивидуально для каждого проектируемого здания. Действующие нормативы по предельно допустимому крену не могут быть использованы для высотных зданий. Длительная устойчивость высотного здания может быть обеспечена только в случае получения полной и достоверной инженерно-геологической информации, характеризующей условия работы грунтового основания во взаимодействии с сооружением не только в период строительства, но и прогноз их изменения в период эксплуатации. Как показывает накопленный опыт наблюдений за осадками зданий и сооружений в Санкт-Петербурге, прогнозируемые (расчетные) деформации оказываются, как правило, ниже, чем реальные величины. Анализ проектных данных показал, что в расчетах часто используются завышенные значения показателей прочности и деформационной способности грунтов из-за несоответствия применяемой методики испытаний реальным условиям работы основания.

С целью повышения  полноты и достоверности получаемой информации на стадии изысканий были выделены инженерно-геологические критерии, которые влияют на безопасность строительства и эксплуатации высотных зданий. К ним относятся тектоническая и нетектоническая трещиноватость коренных глин, интенсивность которой определяет анизотропию напряженного состояния, прочность и деформационную способность этих пород, их водопроницаемость и возможность изменения таких параметров во времени. Кроме того, необходимо принимать во внимание снижение прочности конструкционных материалов за счет различных типов коррозионной активности подземной среды.

Согласно действующим  в Санкт-Петербурге нормативным  документам, для высотных зданий следует  использовать свайные фундаменты, «…нижние концы свай следует опирать на однородный коренной грунт (кембрийскую, протерозойскую глину или морену твердой консистенции)» (п. 7.3.3 ТСН 31-332-2006).

При использовании глубоких котлованов в качестве основания  обычно анализируются морены, перекрытые более поздними водонасыщенными  четвертичными отложениями, к которым  приурочены в различной степени загрязненные водоносные горизонты. Такие морены обычно находятся в анаэробных условиях и имеют в основном молекулярный тип структурных связей, определяющий развитие пластических деформаций при действии тех величин напряжений, которые характерны для оснований высотных зданий.

Для подобных морен устойчивые формы консистенции не должны рассматриваться как гарантия высоких значений прочности и низкой деформируемости. Исследования, выполненные в условиях трехосного сжатия (неконсолидированно-недренированные испытания), свидетельствуют о варьировании угла внутреннего трения в пределах 0-10º, снижении значения сцепления до 0,07 МПа и менее для таких морен. Сорбция органических частиц абиотического и биотического генезиса при контаминации морены за счет утечек из систем водоотведения, а также воздействия жидкой фазы различных отходов вызывает снижение ее прочности и модуля общей деформации. Содержание биомассы в таком случае может достигать 200, реже 350 мкг/г при сохранении постоянства физического состояния – показателя консистенции грунтов. Оценка работы подобных отложений в основании сооружения должна базироваться на рассмотрении их как тонкопористой среды, деформирование которой в зависимости от соотношения действующего сжимающего напряжения, структурной прочности и давления, определяющего возможность фильтрационной консолидации, происходит за счет ползучести скелета и/или фильтрационной консолидации в ограниченной по глубине зоне.

Возможность использования  в качестве надежного основания коренных отложений верхнего венда и нижнего кембрия определяется не только глубиной их залегания вне или в пределах палеодолин, но, как отмечалось ранее, и степенью их дезинтегрированности. Взаимодействие сооружения с подобными породами в основании реализуется согласно модели трещиновато-блочной среды, деформации которой в зависимости от соотношения действующего сжимающего напряжения, величины структурной прочности в блоке породы и по трещине складываются из деформаций каждого блока и/или смещений по трещинам.

Определение механических свойств трещиноватых глин, участвующих в расчетах длительной устойчивости здания, необходимо проводить с учетом их микро- и макротрещиноватости. Влияние микротрещиноватости возможно учитывать при испытаниях образцов различного размера в условиях объемного напряженного состояния при возможности их бокового расширения. Проведение исследований верхнекотлинских глин верхнего венда на образцах диаметром 35-85 мм при соотношении высоты образца к его диаметру равном двум, позволило сделать два принципиальных вывода: а) при увеличении диаметра образца более 60 мм величина сцепления (с) стремится к некоторому постоянному значению, следовательно, для определения показателей прочности с учетом микротрещиноватости оптимальный диаметр должен составлять 60 мм, дальнейшее увеличение размера образца не влияет на значение минимального сцепления; б) изменение уровня напряженного состояния не сказывается на результатах исследований масштабного эффекта и его воздействия на параметр с при диаметре образца больше 60 мм (рис. 3).

При определении модуля общей деформации (Е₀) для образцов небольших размеров диаметром 35-42 мм устанавливается четкая зависимость между значением Е₀ и величиной всестороннего давления (рис. 4). Для образцов диаметром 60-85 мм величина Е₀ имеет отчетливую тенденцию роста по мере повышения уровня всесторонних напряжений s₂=s₃, но не устанавливается связь между размером образца и значением Е₀ . В этом случае рекомендуется проводить исследования максимальных и минимальных значений модуля общей деформации для дальнейшей оценки интервала изменения этой характеристики.

Как известно, наиболее рациональный метод учета влияния макротрещиноватости на показатели прочности и деформируемости горных пород является проведение полевых испытаний. При отсутствии такой возможности для определения прочности рекомендуется использовать коэффициент структурного ослабления (Фисенко Г.Л., 1972) и определять сцепление по формуле: , где с_м, с_о, с´– сцепление пород в массиве, в образце и по контактам между блоками пород соответственно; Н – мощность зоны деформирования; l_Т – средний размер блока; a- коэффициент, зависящий от прочности пород в монолитном образце и характера трещиноватости (по данным ВНИМИ для плотных аргиллитоподобных глин a=2-3).