Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Инженерно-геологический анализ и оценка условий строительства и эксплуатации сооружений различного назначения в пределах Предглинтовой низменности

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологический анализ и оценка условий строительства и эксплуатации сооружений различного назначения в пределах Предглинтовой низменности"

На правах рукописи

КОРОБКО АНАСТАСИЯ АНДРЕЕВНА

Л < ШЩу

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ОЦЕНКА УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ В ПРЕДЕЛАХ ПРЕДГЛИНТОВОЙ НИЗМЕННОСТИ (САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ РЕГИОН)

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Дашко Регина Эдуардовна

Официальные оппоненты:

Спиридонов Михаил Александрович доктор геолого-минералогических наук, профессор, ФГУП «Всероссийский геологический институт им. А.П. Карпинского», отдел региональной геоэкологии и морской геологии, заведующий отделом

Городнова Елена Владимировна кандидат технических наук, ФГУП ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I», кафедра основания и фундаменты, доцент

Ведущая организация - ООО «ПИ Геореконструкция»

Защита состоится 30 июня 2015 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 1171а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 30 апреля 2015 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ГУСЕВ

диссертационного совета /у Т'О' Владимир Николаевич

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Предглинтовая низменность располагается в южной части Санкт-Петербургского региона и ограничивается с севера Приморской низменностью, а с юга - Балтийско-Ладожским уступом (глинтом). К Предглинтовой низменности приурочены южные и юго-западные районы Санкт-Петербурга, в том числе Кировский, Красносельский, Московский, Колпинский, Пушкинский, Петродворцовый, Фрунзенский и Невский, Ломоносовский и Тосненский районы Ленинградской области, а также города Павловск и Никольское.

Согласно инженерно-геологическому районированию, выполненному Санкт-Петербургской комплексной геологической экспедицией ещё в 1989 году, а позднее использованному при составлении «Геологического Атласа Санкт-Петербурга», южная и юго-западная части города, приуроченные к Предглинтовой низменности, были отнесены к территории с благоприятными (простыми) инженерно-геологическими условиями строительства.

В инженерно-геологическом разрезе рассматриваемой территории особое место занимают нижнекембрийские синие глины, которые рассматриваются как объект многоцелевой инженерной деятельности в качестве естественного основания сооружений (гражданских, промышленных и транспортных), как среда размещения транспортных тоннелей и выемок, и формация для складирования опасных промышленных отходов. Кроме того, до недавнего времени планировалось захоронение радиоактивных отходов Ленинградской АЭС в синих глинах вблизи поселка Копорье (Ломоносовский район Ленинградской области).

В настоящее время в пределах Предглинтовой низменности Санкт-Петербургского региона ведется либо проектируется строительство сооружений различного назначения, вступил в эксплуатацию новый терминал международного аэропорта.

Однако опыт строительства и эксплуатации сооружений различного назначения в пределах Предглинтовой низменности показывает, что в ряде случаев наблюдался их переход в аварийное, либо предаварийное состояние. При этом чаще всего аварийные ситуации возникали в связи с некорректной инженерно-

геологической оценкой нижнекембрийских синих глин, отсутствием достоверной информации об инженерно-геологических процессах в пределах рассматриваемой территории, а также за счет игнорирования специфики гидродинамических условий в зоне влияния старинного гидротехнического сооружения с действующим водохранилищем петровского времени, рассматриваемого как промышленный архитектурный памятник, в Колпинском районе.

Вопросы обеспечения безопасности строительства и эксплуатации сооружений различного назначения в сложных инженерно-геологических условиях городских территорий при воздействии природных и техногенных факторов освещались в работах Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, Ф.В. Котлова, В.Т. Трофимова, В.Д. Ломтадзе, В.А. Королева, P.A. Мангушева, Г.С. Голодковской, И.П. Иванова, Р.Э. Дашко, В.М. Улицкого, А.Г. Шашкина, И.И. Сахарова, М.А. Спиридонова и др.

Накопленный материал по исследованию взаимодействия сооружений с нижнекембрийскими глинами дает возможность утверждать, что возникла острая необходимость в разработке новых научно-практических подходов к их инженерно-геологической оценке и зонирования территории Предглинтовой низменности по степени сложности её освоения и опасности развития природных и природно-техногенных процессов различного генезиса.

Цель работы. Повышение безопасности освоения подземного пространства и обеспечение длительной устойчивости проектируемых и эксплуатируемых сооружений различного назначения на основе установления закономерностей формирования инженерно-геологических условий территории Предглинтовой низменности с учетом анализа нижнекембрийских глин как трещиновато-блочной, зонально-построенной по глубине толщи, высокой степени их уязвимости по отношению к техногенным воздействиям.

Основные задачи исследований

1 Анализ формирования и изменения инженерно-геологических условий Предглинтовой низменности с учетом природных и техногенных факторов, в том числе наличия диапировых структур и палеодолин, а также влияния старинного

гидротехнического сооружения и заболоченности территории.

2. Оценка закономерности изменения состояния и физико-механических свойств нижнекембрийских глин как трещиновато-блочной среды с позиции их рассмотрения как основания либо среды сооружений в условиях активно протекающего техногенеза.

3. Обоснование инженерно-геологических основ зонирования Предглинтовой низменности для оценки условий строительства и обеспечения длительной устойчивости проектируемых и эксплуатируемых зданий и сооружений различного назначения с учетом глубины залегания кровли дочетвертичных пород, действующих и прогнозируемых природных и природно-техногенных процессов.

Фактический материал и личный вклад автора

Диссертация является продолжением научно-практических исследований формирования и изменения инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга, в том числе Предглинтовой низменности, проводимых на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии «Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автором выполнен анализ большого объема фондовых материалов по изучению инженерно-геологических условий Предглинтовой низменности в пределах Санкт-Петербургского региона, включая его структурно-тектонические, геологические и гидрогеологические условия, а также влияние болот и старинного гидротехнического сооружения. Кроме того, автором проводились полевые работы, в которые входили: опробование синих глин на оползневых склонах рек Славянки и Тосны, документация скважин при проведении изысканий в г. Колпино для определения причин перехода комплекса зданий детской больницы №22 в предаварийное состояние, специализированная съемка и опробование на автодорожном тоннеле неглубокого заложения, а также экспериментальные исследования состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений с целью установления влияния различных факторов, в том числе контаминации, на физико-механические свойства пород разреза Предглинтовой низменности. Выполнен инженерно-геологический анализ перехода ряда сооружений в период строительства и

эксплуатации в аварийное либо предаварийное состояние на основе специфики взаимодействия сооружений с многокомпонентной подземной средой.

Основные методы исследований. Теоретические исследования условий формирования и природы прочности синих глин, их зонального строения и генезиса трещиноватости, экспериментальные инженерно-геологические исследования состава, состояния и физико-механических свойств четвертичных отложений и нижнекембрийских синих глин с изучением микробной составляющей; прямые и косвенные методы микробиологических исследований для оценки микробной пораженности грунтов и установления численности и видового состава различных форм микроорганизмов; использование расчетной модели квазипластичной среды для оценки устойчивости наземных сооружений, в том числе транспортных, на территории Предглинтовой низменности.

Научная новизна работы

• Установлены закономерности формирования и преобразования инженерно-геологических условий Предглинтовой низменности с учетом особенностей развития эндогенных и экзогенных процессов на рассматриваемой территории. Применен принцип инженерно-геологического анализа причин перехода сооружений различного назначения, возводимых на нижнекембрийских синих глинах и четвертичных отложениях, в аварийное и предаварийное состояние.

• На основе выполненных исследований содержания микробной массы в трещиновато-блочных синих глинах установлено, что перенос микроорганизмов и продуктов их метаболизма осуществляется по системе трещин.

• Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана повышенная микробная пораженность по сравнению с фоновой четвертичных и дочетвертичных отложений за счет их заболачивания и воздействия различных источников контаминации на подземную среду.

Защищаемые положения

1. Инженерно-геологическая оценка территории

Предглинтовой низменности, в разрезе которой нижнекембрийские синие глины служат основанием либо средой сооружений, должна сопровождаться изучением структурно-тектонических условий территории, определяющих степень дезинтегрированное™ и зональности строения толщи глин по глубине, наличия погребенных долин и диапиризма, а также мощности четвертичных отложений.

2. При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений на нижнекембрийских синих глинах необходимо выполнить прогнозирование их негативного преобразования под воздействием не только специфики распределения напряжений в анизотропных средах, но и влияния физико-химических и биохимических факторов, интенсивность которого будет зависеть от степени дезинтеграции этих глин, определяющей их проницаемость.

3. Инженерно-геологическое зонирование территории Предглинтовой низменности должно базироваться на учете глубины залегания дочетвертичных отложений не только нижнекембрийского возраста, но и верхнего венда, их трещиноватости, а также проявлений и воздействия эндогенных и экзогенных процессов различного уровня опасности.

Практическая значимость работы

• Использован комплексный подход к оценке инженерно-геологических условий территории, в разрезе которой четвертичные и дочетвертичные отложения служат основанием либо средой сооружения в условиях воздействия физико-химических и биохимических факторов в пределах развития болот и объектов контаминации, для повышения надежности прогнозирования устойчивости проектируемых сооружений и условий безопасного функционирования сооружений различного назначения.

• Выделены основные природные и природно-техногенные факторы, в том числе наличие разломов, с которыми связано развитие погребенных долин и трещиноватость пород, проявление диапиризма и эманаций газов, кроме того, показано негативное воздействие заболачивания на подстилающие четвертичные и дочетвертичные отложения, развитие специфических гидродинамических условий в зоне влияния старинного водохранилища, приводящих к формированию зыбучих песков,

которые определяют условия строительства и длительную устойчивость сооружений различного назначения в южной части Санкт-Петербургского региона.

• С учетом влияния широкого развития дезинтегрированное™ коренных песчано-глинистых отложений, преобразования дисперсных грунтов различного генезиса и возраста под воздействием микробиологической деятельности и влияния природных и природно-техногенных факторов, что не принималось во внимание при разработке принципов инженерно-геологического районирования и построения карт в 1984 - 2009 гг., выполнено зонирование территории Предглинтовой низменности с целью повышения безопасности строительства и эксплуатации наземных сооружений.

Достоверность научных положений и выводов,

сформулированных в диссертационной работе, базируется на большом объеме выполненных теоретических и экспериментальных исследований по формированию и выявлению закономерностей изменения состояния и прочности синих глин по глубине разреза территории Предглинтовой низменности в пределах Санкт-Петербургского региона с учетом их трещиноватости, проведенных полевых и лабораторных исследований физико-механических свойств, а также степени микробной пораженное™ отложений четвертичного возраста и глин нижнего кембрия. В диссертационной работе широко применялись экспериментальные микробиологические исследования по оценке физиологических групп, родового и видового состава микроорганизмов и их численности, которые позволили оценить их влияние на свойства песчано-глинистых грунтов и коренных глин в разрезе Предглинтовой низменности Санкт-Петербургского региона. Кроме того, в работе также были использованы результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ при непосредственном участии автора: «Геотехническое прогнозирование влияния микробиотической деятельности на безопасность освоения и использования подземного пространства мегаполисов и горнопромышленных регионов» (2012 г.), «Научно-методическое и информационное обеспечение специализированной

лаборатории инженерно-геологической диагностики компонентов подземного пространства мегаполисов и горнопромышленных регионов» (2013-2014 гг.)

Реализация результатов исследований. Результаты, полученные при подготовке диссертации, рекомендуются к применению при проектировании сооружений различного назначения не только в пределах территории южных районов Санкт-Петербурга, но и в аналогичных инженерно-геологических условиях на всей территории Предглинтовой низменности. Полученные результаты работы будут использованы при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и территориальных строительных норм, а также рядом организаций, таких как СПб НИИ градостроительного проектирования, ОАО «Ленниипроект», ЗАО «Институт Ленпромстройпроект», ООО «Горниипроект», ООО «ПИ Геореконструкция» при подготовке проектов для строительства сооружений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» («Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, 2011, 2012 гг.), «Шестнадцатые Сергеевские чтения. Развитие научных идей академика Е.М. Сергеева на современном этапе» (Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2014 г.), международных конференциях молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2012 гг.) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2014 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 статьях, из которых 3 опубликованы в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 224 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 109 наименований, содержит 84 рисунка, 25 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной

работы научному руководителю д.г.-м.н., проф. Р.Э. Дашко. Автор благодарит всех сотрудников и членов кафедры гидрогеологии и инженерной геологии «Национального минерально-сырьевого университета «Горный» за обсуждение материалов диссертации. Отдельную благодарность автор выражает асп. И.В. Алексееву, асп. И.Ю. Ланге за содействие в проведении полевых и лабораторных работ. Автор выражает благодарность д.б.н., проф., заведующему лабораторией микологии и альгологии СПбГУ Д.Ю. Власову за помощь в проведении микробиологических исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Инженерно-геологическая оценка территории

Предглинтовой низменности, в разрезе которой нижнекембрийские синие глины служат основанием либо средой сооружений, должна сопровождаться изучением структурно-тектонических условий территории, определяющих степень дезинтегрированности и зональности строения толщи глин по глубине, наличия погребенных долин и диапиризма, а также мощности четвертичных отложений.

В инженерно-геологическом разрезе Предглинтовой низменности на большей части территории под четвертичными отложениями различной мощности прослеживаются нижнекембрийские синие глины, которые в действующих документах рассматриваются как надежное основание, в том числе, как несущий слой и вмещающая среда для сооружений различного назначения - гражданских, промышленных, транспортных и гидротехнических.

Однако исследования, выполненные на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Горного университета ещё в 80-90-х годах XX века и продолжающиеся в XXI веке, дали возможность установить, что при инженерно-геологическом анализе этих отложений необходимо использовать модель трещиновато-блочной среды, имеющей зональное строение по глубине (Дашко Р.Э., 1984; Дашко Р.Э., Плечкова И.Л., 1995; Дашко Р.Э., Еремеева A.A., 1999, 2001).

При этом необходимо учитывать, что наличие и степень

трещиноватости синих глин определяет изменение физических, механических и водных свойств толщи.

Развитие трещиноватости и зональности толщи синих глин определяется историей формирования Предглинтовой низменности, а также положением исследуемого региона в тектонически напряженной геодинамической области сочленения Русской плиты с Балтийским щитом, что доказывается наличием системы разнонаправленных региональных тектонических разломов северозападного, субширотного и субмеридианального простирания в разрезе территории Предглинтовой низменности (рисунок 1).

Наибольшая степень дезинтегрированное™ синих глин устанавливается в верхней зоне разреза территории, где на тектоническую трещиноватость накладывается нетектоническая, что отражается в уменьшении размеров блоков. Верхняя часть разреза толщи коренных глин должна рассматриваться как зона гидратации и разуплотнения (таблица 1). Повышение влажности глин характерно для первых десяти метров толщи, что объясняется набуханием глинистых пород при их дополнительном увлажнении в зависимости от величины давления набухания, составляющей 0,350,40 МПа, соответственно ниже глубины 17-20 м влажность глин изменяется в узком пределе - 15-18% и характеризует их естественное физическое состояние.

Наличие трещиноватости в глинах существенно сказывается на их прочности, деформационной способности, а также водопроницаемости. Если в верхней зоне основное влияние на механические свойства глин оказывают их трещиноватость и влажность, то в нижней зоне, решающее значение в оценке прочности приобретает микро - и макротрещиноватость (Дашко Р.Э., 1984).

Влияние трещиноватости на прочность и деформационную способность синих глин выражается в проявлении масштабного эффекта, о чем свидетельствуют результаты испытаний образцов различного размера при одинаковом соотношении высоты к диаметру 2:1. Наиболее интенсивно проявляется масштабный эффект в образцах глин, отобранных из зон тектонических нарушений, а также из верхней наиболее выветрелой и

дезинтегрированной толщи, в которой активно проявляется влияние микротрещиноватости (рисунок 2)

Прочность на одноосное сжатие зависит от объема образца. При увеличении площади образца в 4 раза его прочность уменьшается в 7 раз. Следует отметить, что наибольшее влияние трещиноватость оказывает на величину модуля общей деформации, в зонах разломов величина данного показателя изменяется по глубине незакономерно и характеризуется следующим разбросом значений - от 1,5 до 10,5 МПа и более, что свидетельствует о высокой степени дезинтеграции толщи.

Наличие трещиноватости различного генезиса в синих глинах предопределяет повышение их проницаемости на 2-3 порядка и более по сравнению с проницаемостью отдельного блока. По результатам выполненных на карьерах наливов значения коэффициента фильтрации в верхней части разреза достигают величин 0,01 - 0,5 м/сут.

Анализ опыта строительства и эксплуатации гражданских и транспортных сооружений в пределах Предглинтовой низменности, где в качестве основания либо среды сооружений выступали нижнекембрийские синие глины, показал, что в ряде случаев из-за неучета трещиноватости глин, их относительно высокой проницаемости, а также возможности негативного преобразования глин под влиянием болотных вод и водных растворов, в том числе утечек из систем водоотведения, содержащих органические и неорганические контаминанты и микробиоту различного генезиса, наблюдается переход сооружений в предаварийное и аварийное состояние.

В качестве примера можно привести разрушение жилого 9-этажного здания, построенного на трещиноватых синих глинах в г.Пушкине в конце XX в. Расчетное сопротивление (Я), полученное на стадии проектирования без учета трещиноватости пород основания, изменялось в пределах 0,28-0,32 МПа, что превышало давление от сооружения (рС00р = 0,27 МПа). Однако после возведения 6-го этажа здания наблюдалась активизация развития неравномерных осадок, разность которых в продольном направлении составила 50 см, а в поперечном 22-30 см. При таких

Условные обозначения:

о, Нсрасчленснный нижний ордовик. Доломитизнро ванные известняки.

Объединенная пачка нижнего-верхнего кембрия (песчаники) и пакерортского I ори юн I а нижнего ордовика (обол о вые песчаники, диктионсмовыс сланцы). .£1ву Сиверская свита нижнего кембрия, «синие» глины, «у» Ломоносовская свита нижнего кембрия.

' Глины алевритовые и кварцевые песчаники.

^м, Верхняя полсвита коми не кого горизонта г венда. Тонкослоистые алевритовые глины.

Нижняя полсвита нотлинского гори юнга венда. Переслаивание разнозерннстых песчаников с глинами.

Стрельнинска* свита редкинского (гдовского) горизонта. Чередование аргиллитовых глин с разнозсрнистыми песчаниками.

Оси решональных юн рахтомов. проявленных в кристаллическом фундаменте и фрагментарно в магнитном и гравитационных полях. Их номера на карте.

Активные разломы, проявленные в отложениях платформенного чехла, их номер на карте.

А - выделенные по совокупности геологических и геофизических данных.

В - выделенные в основном по косвенным геофизическим и геоморфологическим данным.

Геодинамичсские активные разломы, нашедшие отражение в разрезе четвертичных отложений.

Другие

А - глубиной более 50 м. "" В - глубиной менее 50 м. ^ " Уступы в рельефе предчетвертичной поверхности.

Линии метрополитена.

▼ Места аварий на линии метрополитена. О Участки инженерных осложнений на линии метрополитена.

(р) Участок дамбы защитных сооружений г. Санкт-Петербурга от наводвений, рекомендованный ВНИМН для более детального гсолого-геофнзического изучения и проведения мониторинга.

граница Санкт-Петербургского региона в пределах Предглинтовой низменности

Зоны разрывных тектонических нарушений

Рисунок 1 - Выкопировка из геолого-структурной карты. Масштаб 1:100000 (по Шабарову А.Н., Мельникову Е.К., 2004 г.)

Таблица 1 - Изменения влажности и плотности нижнекембрийских глин по глубине (Дашко Р.Э., 1984 г.)

Выделяемые зоны № слоев Глубина от кровли глин, м Диапазон изменения параметра

Влажность, % Плотность, г/см3

I Переменной влажности и плотности 1 0-3 21,4-27,0 1,96-2,05

2 3-8 20,0-23,0 2,08-2,19

3 8-17 16,0-21,0 2,10-2,22

II Квазипостоянной влажности и плотности 4 17-26 15,5-18,0 2,15-2,28

5 26-40 15,5-18,0 2,14-2,22

6 >40 15,5-18,0 2,12-2,22

1ЩП.

Ео ,МШ

Я = Я0ехр[а(Рта*/р- 4,9)]

Еп — Еп

*ехр[а(Р™*/р- 4,9)]

Я - прочность на одноосное сжатие образца площадью Р; Ио - максимальное значение прочности образца при ¥=20 см2; Р„„=98 см2-максимальный размер образца,

Р=20-98 см2 - диапазон размеров образцов; Е0-модуль общей деформации образца площадью Р; Ео""* -максимальное значение модуля общей деформации при р = 20 см2,а - эмпирический коэффициент, зависящий от интенсивности микротрещиноватости и физического состояния глин

Рисунок 2 - Влияние размеров испытываемого образца синих глин на их прочность (Я) и модуль общей деформации (Е0) (Плечкова, 1996)

Рисунок 3 -Изобары сжимающих напряжений аг, полученные на моделях (а) и расчетом (б), а - угол наклона трещин либо слоев относительно вертикали (по Р. Гудману)

Рисунок 4 - Динамика набухания коренных глин в воде (1) и в канализационных стоках(2). Стрелкой указаны поступления «свежих» сточных вод и дистиллированной воды (Дашко Р.Э., Плечкова

И.Л., 1996г.)

Таблица 2 - Параметры сопротивления сдвигу нижнекембрийских глин в

Образцы глин Влажность,% Параметры сопротивления сдвигу

Сцепление,МПа Угол внутреннего трения, град

в оползневом теле 32 0,012-0,024 2-3

«пасты» 31 0,035-0,040 2-4

Рисунок 7 - Зафиксированные деформации тоннельной конструкции

больших и неравномерных осадках начали рваться водопроводные трубы, что привело к дополнительному снижению прочности синих глин и их неравномерному выдавливанию в пределах контура здания. Учет макро- и микротрещиноватости в расчете первого критического давления, в ходе проведения инженерно-геологического анализа причин разрушения здания, привел к снижению расчетного сопротивления почти в 2 раза (р| = Я = 0,16 МПа), что объясняет активизацию осадок и их незатухающий характер при давлении, соответствующему шести этажам.

2. При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений на нижнекембрийских синих глинах необходимо выполнить прогнозирование их негативного преобразования под воздействием не только специфики распределения напряжений в анизотропных средах, но и влияния физико-химических и биохимических факторов, интенсивность которого будет зависеть от степени дезинтеграции этих глин, определяющей их проницаемость.

Прогноз взаимодействия сооружений с синими глинами тесно связан с их преобразованием под действием напряжений, различных видов утечек и развития физико-химических и биохимических процессов в подземной среде.

При проектировании и строительстве сооружений различного назначения на синих глинах необходимо учитывать, что трещиноватость и слоистость этих отложений предопределяет асимметричность распределения сжимающих напряжений в толще основания, что диктует неравномерность развития деформаций (осадок) сооружений (рисунок 3) (Гудман Р., 1987).

Рассматриваемый регион в пределах Предглинтовой низменности характеризуется значительной степенью загрязнения подземного пространства, формирующегося за счет природных и природно-техногенных факторов. Повсеместное заболачивание до начала освоения территории, наличие болот, свалок ТБО, кладбищ, утечки из систем водоотведения, складирование промышленных отходов в котлованах, пройденных в синих глинах, способствуют их негативной трансформации на глубину.

Относительно высокая дезинтегрированность глин нижнего

кембрия, находящихся под влиянием природных (развитие болот) и техногенных источников (утечки, кладбища, свалки и др.) контаминации, способствует обогащению абиогенной и биогенной органической компонентой глинистой толщи и, как следствие, активизации микробной деятельности.

Воздействие торфов, а также возможность проникновения контаминантов в трещиновато-блочную среду глин вызывает интенсивный рост микробной массы и способствует снижению угла внутреннего трения до 5°, а сцепления до 0,035 МПа.

Следует отметить, что проведенные в Центре инженерных исследований Горного университета экспериментальные определения микробной пораженности синих глин позволили выявить тенденцию к проникновению микроорганизмов в толщу глин по трещинам. Содержание микробной массы (ММ) по величине суммарного белка составило 10,3 мкг/г в блоке и 72,0 мкг/г по поверхности трещин, что свидетельствует о переносе микроорганизмов и продуктов их метаболизма по системе трещин.

Ранее проведенные исследования свидетельствуют о том, что изменение биохимических условий в процессе воздействия канализационных стоков на синие глины, вызванные, в том числе, диспергирующим влиянием иона МН4+, ростом биомассы микроорганизмов и продуктов их метаболизма, резко активизирует процесс их набухания, и как следствие, разуплотнение и постепенную потерю их несущей способности. Так, например, величина свободного набухания глин в стоках возросла в 1,5 - 2,0 раза по сравнению с набуханием этих глин в воде. Время набухания образцов синих глин в воде составило менее 2 суток, а в канализационных стоках продолжалось более 45 дней (рисунок 4).

Ярким примером потери несущей способности трещиноватых синих глин при воздействии канализационных стоков может служить переход жилого 9-этажного здания в аварийное состояние в г. Никольское. Здание в течение 5 лет испытывало большие и неравномерные осадки, связанные с тем, что в основании сооружения залегали трещиноватые синие глины. Превышение действующего давления от сооружения над величиной Л, которое на стадии проектирования определялось с использованием показателей

угла внутреннего трения (ф) и сцепления (с) без учета трещиноватости глин, привело к развитию деформаций перекоса перекрытий, а также к повреждению труб водоотведения, проложенных под зданием. Подвал дома был затоплен канализационными стоками, инфильтрация которых по трещинам в синих глинах активизировала процессы набухания блоков, что, в свою очередь, привело к разуплотнению и потере их несущей способности (ф снизился до 6°, а с - менее 0,05 МПа). Активизировался процесс неравномерного развития осадок, который привел к сползанию перекрытий. Дом был снесен.

Анализ особенностей строения толщи синих глин, используемой в качестве среды для захоронения отходов, на примере эксплуатации полигона «Красный Бор» выявил необходимость учета их относительно высокой проницаемости, а также относительно низкой сорбционной и обменной способности до 12 мг-экв. на 100 г, которые служат причиной формирования обширного фронта загрязнения по глубине и в плане синих глин, что сопровождается загрязнением ломоносовского водоносного горизонта, локально используемого для водоснабжения в регионе.

Следовательно, прогнозирование длительной устойчивости сооружений на синих глинах должно базироваться на необходимости выполнения экспериментальных исследований негативной трансформации глин под воздействием техногенных факторов, влияние которых на породы зависит от технологии функционирования конкретного сооружения.

3. Инженерно-геологическое зонирование территории Предглинтовой низменности должно базироваться на учете глубины залегания дочетвертичных отложений не только нижнекембрийского возраста, но и верхнего венда, их трещиноватости, а также проявлений и воздействия эндогенных и экзогенных процессов различного уровня опасности.

На основании анализа формирования и изменения инженерно-геологических условий по глубине разреза для повышения уровня безопасности строительства и эксплуатации наземных сооружений различного назначения, в том числе уникальных, было произведено инженерно-геологическое зонирование территории Предглинтовой

низменности в пределах Санкт-Петербургского региона, в основу которого положена глубина залегания кровли дочетвертичных отложений (рисунок 5).

Инженерно-геологическое зонирование территории выполнено по глубине залегания коренных отложений глин нижнего кембрия (I, И, III), ломоносовских песчаников (I1, II1, III1) и глин верхнего венда (I2, II2, III2).

К относительно благоприятным (I, I1, I2) отнесены зоны с глубиной залегания этих пород от 0 до 20 м. Предлагается рекомендовать две подзоны с мощностью четвертичной толщи от 0 до 10 м (la, l'a, 12а) и от 10 до 20 м (16,1'б, 12б).

Дальнейшее увеличение глубины залегания кровли коренных пород снижает уровень пригодности территории для её освоения, поскольку возрастает мощность неустойчивых четвертичных отложений. Разделение менее благоприятных зон (II, II1, II2) производилось в зависимости от глубины залегания дочетвертичных отложений от 20 до 30 м (IIa, Il'a, Н2а) и от 30 до 40 м (116, И'б, Н2б).

Зоны III, III1 и III2 типа, приуроченные к склоновой и тальвеговой частям глубоких погребенных долин, характеризуются глубоким заложением кровли коренных пород более 40 м, что послужило причиной отнесения их к территории с неблагоприятными условиями строительства, а также исключения из рассмотрения при возведении высотных зданий.

Кроме того, для территории Предглинтовой низменности в пределах Санкт-Петербургского региона проводилось зонирование по степени опасности развития природных и природно-техногенных процессов (рисунок 6), осложняющих условия строительства и снижающих эксплуатационную надежность сооружений различного назначения.

На основании научно-практических и экспериментальных исследований, проведенных на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Горного университета при участии автора, по установлению и систематизации природных и природно-техногенных процессов в пределах исследуемой территории все диагностируемые процессы по степени опасности были разделены на три группы: ПОЭ - проблематично опасные эндогенные

Рисунок 5 - Схематическая карта зонирования территории Предглинтовои низменности в пределах Санкт-11етероургского региона

Условные обозначения:

Глубина залегания кровли нижнекембрийских синих глин

ggg la от 0 до 10 м

ЕШ 16 от 10 до 20 м

ДТП На от 20 до 30 м

ЕЯ Нб от 30 до 40 м

ПН1а от 40 до 50 м В Шб более 50 м Другие

Г ранина Санет-Петербургеши региона в пределах Предгаинтовой ни шенности

Глубина залегания кровли ломоносовских песчаников нижнего кембрия

■I Га от 0 до 10 м ■I Гб от 10 до 20 м ■I На от20до30 м ■I Но от 30 до 40 м ■I иг а от 40 до 50 м ■1 ш'б более 50 м

Глубина залегания кровли верхнекотлинских глин верхнего венда

■I Га от 0 до 10 м

■lió от 10 до 20 м

■I 11:а от 20 до 30 м

■I 1Гб от 30 до 40 м

■1 Ufa от 40 до 50 м

■1 пГб более 50 м

Масштаб 1:100000

Масштаб : 00 000

Степени опасности развития :

проблематично опасных процессов: ■1 ПОЭ-1 радоноопасность ■I ПОЭ-2 «глиняный диапиризм» опасных процессов:

ОЭю-1 оползневые деформации ОЭкз-2 заболачивание ОЭкз-З плывуны процессов со средним и низким уровнем опасности: СнЭкз-1 подтопление СнЭкз-2 боковая (речная) эрозия

I I неизученная территория

Рисунок 6 - Схематическая карта зонирования территории Предглинтовой низменности в пределах Санкт-Петербургского региона по степени опасности

развития природных и природно-техногенных процессов

процессы, ОЭкз - опасные экзогенные процессы и СнЭкз -экзогенные процессы со средним и низким уровнем опасности.

В группе проблематично опасных эндогенных процессов радоноопасность (ПОЭ-1), наиболее интенсивно проявляющаяся в зонах тектонических разломов, занимает особое место. Поступление радиоактивных эманаций в приповерхностные слои разреза Предглинтовой низменности приводит к интенсификации микробиологической деятельности, что отрицательно влияет на состояние и физико-механические свойства как четвертичных, так и коренных пород. Кроме того, присутствие радона в подвалах и первых этажах помещений негативно сказывается на здоровье населения.

Следует отметить, что участки с развитием «глиняного диапиризма» (ПОЭ-2) должны быть исключены из реестра освоения в связи с тем, что выдавливание глин предопределяет повышенную трещи новатость и расслоенность этих пород, их высокую водонеустойчивость и низкие показатели прочности и деформационной способности.

Проявление и развитие на территории Предглинтовой низменности стабилизировавшихся и активно развивающихся оползневых деформаций (ОЭкз-1), процессов заболачивания (ОЭкз-2), а также плывунов (ОЭкз-3) определяют уровень безопасности строительства и эксплуатации сооружений различного назначения (рисунок 6).

Для территории Предглинтовой низменности в пределах Санкт-Петербургского региона чрезвычайно сложно решать задачу стабилизации оползневых процессов, поскольку причиной их развития и активизации служат не только наличие относительно крутых склонов по берегам рек и непосредственно Балтийско-Ладожского глинта, но и нерегулируемая пригрузка естественных склонов при возведении зданий и сооружений, использование приоткосной части в хозяйственной деятельности и т.д. Обследование оползневых тел пригруженных склонов позволило судить о существенных изменениях состояния и свойств нижнекембрийских синих глин, которые в верхней, наиболее разуплотненной зоне смещения характеризуются показателями

сопротивления сдвигу значительно более низкими, чем образцы «паст» синих глин с одной и той же влажностью (таблица 2). В работе рассмотрен случай подрезки старого оползня, который не был зафиксирован при проведении изысканий. При строительстве транспортного тоннеля неглубокого заложения «оживление» оползневых смещений привело к разрушению его несущих конструкций (рисунок 7).

При освоении заболоченных территорий, как известно, ликвидация болот не приводит к улучшению условий строительства и эксплуатации сооружений, поскольку их негативное воздействие переводит даже устойчивые моренные грунты и коренные глинистые отложения в квазипластичные разности, а песчаники - в глинистые пески.

Переход песчано-глинистых четвертичных отложений в плывунное состояние в пределах описываемой территории происходит не только под воздействием микробной компоненты, но и формирования гидродинамического давления за счет старинного гидротехнического сооружения с действующим водохранилищем в Колпинском районе, что значительно затрудняет строительство и эксплуатацию сооружений и требует применения специальных технологий. Важно отметить, что ломоносовские песчаники, разрушенные в зонах тектонических разломов до состояния песков, также обладают плывунными свойствами.

Согласно проведенным исследованиям к наиболее распространенным в пределах Предглинтовой низменности экзогенным процессам со средним и низким уровнями опасности отнесены процессы боковой (речной) эрозии (СнЭкз-1) и подтопление (СнЭкз-2) в пределах застроенных территорий. Речная эрозия проявляется на всех реках рассматриваемой территории, способствуя развитию оползневых деформации на склонах рек, сложенных глинистыми грунтами. Подтопление приводит к дополнительному ухудшению состояния и свойств грунтов основания, изменению их напряженного состояния, что, в свою очередь, влияет на устойчивость сооружений. Особое внимание следует уделить Колпинскому району, где причиной подтопления освоенной территории служит постоянный подток воды из

Ижорского водохранилища.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решается актуальная задача повышения безопасности освоения подземного пространства и обеспечения длительной устойчивости проектируемых и эксплуатируемых сооружений различного назначения на территории Предглинтовой низменности в пределах Санкт-Петербургского региона. Полученные в ходе исследований научные и практические результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. В настоящее время в южных районах Санкт-Петербурга, приуроченных к Предглинтовой низменности, объектом многоцелевой инженерной деятельности в качестве естественного основания гражданских, промышленных и транспортных сооружений, средой размещения транспортных сооружений и формацией для захоронения опасных промышленных отходов, служат нижнекембрийские синие глины. Кроме того, ведется, либо проектируется строительство сооружений различного назначения, планируется проектирование тоннелей метрополитена.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований произведена оценка состава, состояния и физико-механических свойств четвертичных отложений и нижнекембрийских синих глин в естественном и нарушенном оползневыми процессами залегании с учетом их микробной пораженности.

3. Применен принцип комплексного подхода к инженерно-геологическому анализу причин перехода ряда сооружений, возведенных на нижнекембрийских синих глинах и четвертичных отложениях, в аварийное либо предаварийное состояние.

4. На основании анализа и оценки особенностей инженерно-геологических условий Предглинтовой низменности Санкт-Петербургского региона произведено зонирование территории с учетом глубины залегания кровли дочетвертичных пород, а также воздействия различных по опасности развития природных и природно-техногенных процессов на условия освоения территории.

5. Предлагаемые схематические карты зонирования позволяют определить особенности инженерно-геологических

условий участка работ и обосновать адекватный выбор конструкций фундаментов сооружений ещё на предварительных стадиях. Выполненное инженерно-геологическое зонирование территории Предглинтовой низменности направлено на повышение безопасности строительства и эксплуатации сооружений различного назначения.

Список основных публикаций по теме диссертации:

1. Дашко, Р.Э. Исследование инженерно-геологических и микробиологических факторов для оценки динамики разрушения тоннеля на ПК 78+50 - ПК 124+58.71 автодороги Санкт-Петербург -Киев/ Р.Э. Дашко, К.В. Панкратова, A.A. Коробко // Записки Горного института. Т. 195. СПб, 2012, с. 24-27.

2. Дашко, Р.Э. Инженерно-геологическое обоснование безопасности строительства и эксплуатации сооружений различного назначения в пределах Предглинтовой низменности (западная часть Ленинградской области) / Р.Э. Дашко, A.A. Коробко // Записки Горного института. Т.206. СПб, 2013, с. 22-25.

3. Дашко, Р.Э. Геотехнические аспекты исследований нижнекембрийских глин Санкт-Петербурга как основания сооружений/ Р.Э. Дашко, A.A. Коробко// Жилищное строительство. №9. М.: Стройматериалы, 2014, с. 19-22.

4. Дашко, Р.Э. Основные геотехнические тенденции негативной трансформации нижнекембрийских синих глин Санкт-Петербургского региона. / Р.Э. Дашко, A.A. Коробко // Геотехника. -2013.-№3.-С. 4-10.

5. Дашко, Р.Э. Нижнекембрийские синие глины как основание и среда сооружений: инженерно-геологический анализ опыта их строительства и эксплуатации. / Р.Э. Дашко, A.A. Коробко // Труды Международной конференции по геотехнике Технического комитета 207 ISSMGE. - 2014. - Т. 2. - С. 207-215.

6. Dashko, R.E. Engineering-geological and geotechnical assessment of clay soils as fractured block medium / R.E. Dashko, A.A. Korobko //Scientific Reports on Resource Issues. - Freiberg. - 2014. V. l.-P. 113-116.

РИЦ Горного университета. 28.04.2015. 3.363. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

I

с

15- 6 П 5 S>

2012478182

2012478182