Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка и прогноз изменения состояния геологической среды при техногенном воздействии зданий высотной конструкции в пределах города Екатеринбурга

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Оценка и прогноз изменения состояния геологической среды при техногенном воздействии зданий высотной конструкции в пределах города Екатеринбурга"

На правах рукописи

ОВЕЧКИНА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЗДАНИЙ ВЫСОТНОЙ КОНСТРУКЦИИ В ПРЕДЕЛАХ ГОРОДА ЕКАТЕРИНБУРГА

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение

и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

5 ДЕК 2013

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, доцент

Абатурова Ирина Валерьевна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории инженерной геологии и геоэкологии ФГБУН Института земной коры СО РАН Рященко Тамара Гурьевна

доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры инженерной геологии ФГБОУ ВПО Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе Ярг Людмила Александровна

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 14 часов в ауд. 3326 (3-й учебный корпус) на заседании диссертационного совета Д 212.280.04, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, ГСП, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Абатурова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Строительство высотных зданий в крупных городах ведется по принципу точечной застройки во вновь сформированных в результате воздействия существующих зданий и сооружений инженерно-геологических условиях. Весь мировой опыт возведения и эксплуатации крупных сооружений и высотных зданий подтверждает, что нередко аварии и негативные явления связаны с недостаточной изученностью геологических условий и ошибочным или неточным прогнозированием развития инженерно-геологических процессов, имеющих место в грунтовых массивах. Поэтому наиболее актуальной проблемой при разработке проектных решений конструкций фундаментов высотных и уникальных зданий является обеспечение геотехнической и геомеханической безопасности.

В г. Екатеринбурге за период с 2000 по 2011 гг. значительно возросли темпы строительства зданий высотой более 75 м. Несмотря на значительное количество уже существующих зданий, опыт изучения инженерно-геологических условий и их влияние на выбор технологии строительства только формируется и требует особого подхода при изучении, оценке и прогнозе инженерно-геологических условий. Это связано как со сложными инженерно-геологическими условиями, сформировавшимися в результате длительной и сложной истории геологического развития Урала, так и с повышенной ответственностью проектируемых объектов капитального строительства.

Объектом исследований является геологическая среда г. Екатеринбурга, свойства которой определяются сочетанием геологических, гидрогеологических, геодинамических условий и развитием инженерно-геологических процессов при строительстве высотных зданий.

Предметом исследований являются компоненты природно-технической системы «Геологическая среда - Высотное здание» (далее ПТС «ГС - ВЗ») г. Екатеринбурга, влияющие на устойчивость и безопасность объектов капитального строительства.

Идея работы. Изучение структуры и функциональных элементов ПТС «ГС-ВЗ» и прогноз изменения геологической среды при техногенном воздействии высотных зданий.

Цель работы. Выполнить оценку и дать прогноз изменения геологической среды г. Екатеринбурга при строительстве высотных зданий для обоснования устойчивости и безопасного функционирования в условиях плотной городской застройки.

Основные задачи исследований:

1. Изучение структуры и функциональных элементов ПТС «ГС - ВЗ».

2. Изучение условий функционирования и компонентов области взаимодействия ПТС «ГС - ВЗ».

3. Исследование области взаимодействия (ОВ) ПТС «ГС - ВЗ», расположенных в различных грунтовых массивах.

4. Оценка и прогноз возможного развития инженерно-геологических процессов как на стадии разработки котлована, так и во время эксплуатации высотного здания.

5. Разработка мониторинга за компонентами ПТС «ГС - ВЗ» и окружающей его застройкой.

Исходные материалы. В основу диссертационной работы положены исследования автора инженерно-геологических условий высотных зданий в пределах г. Екатеринбурга, которые проводились в период работы в ООО Научно-изыскательской центр «СтройГеоСреда» с 2000 по 2013 гг. и в аспирантуре, в том числе анализ фондовых материалов ученых и специалистов треста «Урал-ТИСИЗ», ООО «Николай-ИнГео», ООО «ГИНГЕО», ООО «Уралгеоэкология», ООО НПО «Инженерный центр исследований и проектирования», ГОУ НПП «УралСейсмоЦентр», УрО РАН «Институт геофизики» и других проектно-изыскательских организациях города.

Личный вклад автора. Автор принимала непосредственное участие в полевых и камеральных работах, в строительном сопровождении разработки котлованов под высотную застройку, а также сборе, обработке и анализе данных инженерно-геологических изысканий, выполненных под высотные здания в г. Екатеринбурге.

Методы исследований. Изучение, анализ и обобщение инженерно-геологический материалов по высотному строительству; визуальное обследование котлованов; полевые и лабораторные исследования физико-механических, фильтрационных свойств фунтов; расчетно-теоретические методы по оценке устойчивости бортов проектируемого котлована, напряженно-деформируемому состоянию массива пород и его изменение при строительстве проектируемого сооружения; современные методы моделирования с использованием программного обеспечения «РЬАХГБ 9.3».

Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:

1. Предложена структура природно-технической системы «Геологическая среда - Высотное здание».

2. Обоснован набор компонентов сферы взаимодействия геологической среды с высотным зданием.

3. Рассмотрены области влияния ПТС «ГС-ВЗ», расположенные в различных грунтовых массивах.

4. Выполнены оценка и прогноз изменения состояния геологической среды и развития инженерно-геологических процессов при строительстве и эксплуатации высотных зданий.

5. Получены модели распределения горизонтальных и вертикальных компонент деформаций грунтового массива на различных этапах строительства.

Основные защищаемые положения 1. ПТС «ГС — ВЗ» является областью системного взаимодействия высотного сооружения и грунтового массива, природно-технические условия которого определяются набором инженерно-геологических компонент и их параметров с учетом глубины заложения фундамента, его конструктивных особенностей и величины силовой нагрузки, добавленной в существующую систему городской застройки.

2. Своеобразие грунтовых массивов формирует состояние устойчивости ПТС «ГС - ВЗ»» и определяет условия и этапы строительных работ, элементов конструкции фундамента и глубины его заложения.

3. Оценка и прогноз развития инженерно-геологических процессов должны быть выполнены аналитическими методами, позволяющими оценить этапность техногенного воздействия на грунтовый массив, что дает возможность оптимально запроектировать сооружение и обеспечить его безопасное функционирование.

Практическая значимость работы. Результаты работы по оценке и прогнозу изменения геологической среды и рекомендации по разработке защитных мероприятий были использованы в процессе проектирования и строительства уникального здания «Пассаж» и высотного здания «Рэдиссон». Результаты исследований ОВ ПТС «ГС — ВЗ» могут быть использованы для своевременного обоснования экономической оценки выбора проекта высотного здания, типа фундамента, конструктивных особенностей и создания мониторинга ПТС «ГС-ВЗ» в сходных природно-технических условиях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Проблемы инженерных изысканий для высотного строительства в Уральском регионе» (ЗАО «Урал-ТИСИЗ», 2007), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий» (Пермь, 2008), научной конференции «Международный год планеты Земля: проблемы геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» (Томск, 2008), Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа - регионам» (УГГУ, 2009, 2010, 2012), научно-практической конференции «Проблемы комплексных инженерных изысканий для всех видов строительства» (ЗАО «УралТИСИЗ», 2009), на II Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (УГГУ, 2009), на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения, 2010), на II Уральском международном экологическом конгрессе (Пермь, 2011), на седьмой общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий (УГГУ, 2011), на международной научно-практической конференции «Инженерные изыскания в условиях саморегулирования» (Екатеринбург, 2012) и на международной научно-технической конференции «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии (посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.Д. Ломтадзе)» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 159 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 130 наименований, содержит 46 рисунков, 20 таблиц.

Первая глава посвящена обзору мирового опыта высотного строительства. Дана классификация высотных зданий, принятая в мире и в Российской Федерации. Выполнен анализ нормативных документов, применяемых для высотного строительства в России. Приведена история развития высотного строительства в г. Екатеринбурге.

Во второй главе рассмотрена структура ПТС «ГС - ВЗ», представленная в виде системы из нескольких иерархических уровней, и ее компоненты, определяющие устойчивость высотного здания.

В третьей главе рассмотрены ОВ ПТС «ГС - ВЗ», расположенные в различных грунтовых условиях г. Екатеринбурга.

В четвертой главе выполнены оценка и прогноз возможного развития инженерно-геологических процессов как на стадии разработки котлована, так и во время эксплуатации высотного здания «Рэдиссон».

В пятой главе дается понятие геотехнического мониторинга, приведены методы инструментального мониторинга и различные типы приборов. На примере здания «Рэдиссон» рассмотрена схема организации мониторинга. Даны рекомендации по разработке защитных мероприятий.

Автор искренне благодарен профессору, д.г.-м.н. Дубейковскому С.Г., который его ориентировал после окончания академии на изучение инженерно-геологических условий г. Екатеринбурга и помог начать работу над диссертацией как научный руководитель. Вплоть до самой смерти, со стороны Дубей-ковского С.Г. постоянно ощущалось понимание, поддержка и автор получал ценные советы.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. И.В.Абатуровой. Автор благодарит коллектив научно-изыскательского центра «СтройГеоСреда» во главе с директором академиком МАНЭБ В.П. Семакиным и коллектив ООО «ГИНГЕО», а также профессорско-преподавательский состав кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии «Уральский государственный горный университет», во главе с заведующим д.г.-м.н. О.Н. Грязновым.

Автор весьма признателен своим родным и близким за искреннюю поддержку во время выполнения диссертации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. ПТС «ГС-ВЗ» является областью системного взаимодействия высотного сооружения и грунтового массива, природно-технические условия которого определяются набором инженерно-геологических компонент и их параметров с учетом глубины заложения фундамента, его конструктивных особенностей и величины силовой нагрузки, добавленной,в существующую систему городской застройки.

При строительстве любых сооружений на грунтовом основании формируется некоторая система, которую принято называть природно-технической. Мы считаем, что ПТС «ГС - ВЗ» и ее структуру можно представить в виде системы из нескольких иерархических уровней, главным элементом которой является «Область взаимодействия» (ОВ) или сфера взаимодействия и сооружение «Высотное здание» (ВЗ) (рис. 1).

ОВ и все ее составляющие условий функционирования характеризуются набором компонент, которые определяют генетические особенности и тенденции процесса изменения геологической среды. Они взаимосвязаны, взаимообусловлены, имеют свое назначение, вклад (вес) при формировании и развитии тех или иных геологических процессов в пределах ПТС «ГС - ВЗ».

Оценка и прогнозирование состояний системы ПТС «ГС - ВЗ» требуют выполнения принципиально новых методов, основанных на анализе различных взаимодействий между компонентами геологической среды и высотным зданием. Реакция геологической среды ОВ ПТС на техногенное воздействие сооружения «Высотное здание» приведена в табл.1.

Таким образом, существующие взаимодействия в ПТС «ГС-ВЗ» можно представить на рис. 2. Отсюда видно, что нормальное функционирование ПТС должно быть обеспечено при условии работы высотного здания в строгом соответствии с проектным режимом.

Безопасное функционирование ПТС «ГС-ВЗ» будет обеспечено при равновесном состоянии взаимодействия ее компонентов, то есть таком состоянии, при котором функционирование высотного здания соответствует его проектному режиму, не нарушая при этом динамического равновесия ОВ.

Рассмотрим условия функционирования и компоненты ПТС «ГС-ВЗ» на примере высотных зданий, расположенных на территории города Екатеринбурга.

Физико-географические условия (количество атмосферных осадков, среднегодовая температура воздуха, сила и направление ветра). Климат г.Екатеринбурга континентальный. Нормативная глубина сезонного промерзания для глинистых грунтов составляет 1,72 м, для супесей, песков мелких и пылеватых - 2,09 м; песков гравелистых, крупных и средней крупности-2,24 м и для крупнообломочных грунтов-2,54 м.

Температура наружного воздуха понижается примерно на 1°С через каждые 150 м высоты. Преобладающее направление ветра западное, со скоростью 3,6 м/с.

Геолого-структурные условия (тектонические условия, сейсмические условия).

Тектонические условия. Территория г. Екатеринбурга находится в условиях субширотного сжатия, когдавулканогенно-осадочные породы Свердловского синклинория подверглись сжатию со стороны двух гранитизированных

Природно-техническая система 'Теологическая среда - Высотное здание"

Рис. 1. Схема природно-технической системы «Геологическая среда - Высотное здание» Примечание: 1-3 - климат: 1-количество атмосферных осадков. 2 - среднегодовая температура воздуха. 3 - сила и направление ветра: 4-9 - тектонические особенности: 4 - тип нарушений (пликативный, дизъюнктивный). 5- возраст и характер тектонических нарушений, 6 - степень и характер трещиноватости. 7 - наличие зон дробления. 8 - наличие рассланцованности, плойчатости. 9 - состав и свойства заполнителя трещин; 10,11 - сейсмические условия: 10 - характер горных пород, 11 - уровень подземных вод; 12,13- генезис и возраст горных пород: 12 - генезис горных пород, 13 - возраст горных пород; 14-16 - состав и свойства пород: 14 - минеральный и гранулометрический состав горных пород, 15 - структурно-тектонические особенности пород, 16 - физико-механические свойства горных пород; 22. 23 -напряженное состояние пород: 22 - скорость продольных и поперечных волн. 23 - коэффициент Пуассона: 19-22 - экзогенные геологические и инженерно-геологические процессы: 19 - характер и тип геологических и инженерно-геологических процессов. 20 - условия развития геологических и инженерно-геологических процессов. 21 - размеры геологических и инженерно-геологических процессов. 22 -пораженность территории экзогенными геологическими процессами: 23-27 - тип подземных вод: 23 - условия зале гания подземных вод. 24 - гидравлические особенности водоносных горизонтов и комплексов. 25 - условия пктния. разгрузки водоносных горизонтов и комплексов, 26 - химический состав подземных вод, 27 - режим подземных вод

Таблица 1

Реакция геологической среды ОВ ПТС на техногенное воздействие высотного здания

_[Бондарик Г.К., с доп.автора]___

Вид техногенного воздействия Источник воздействия Характеристики взаимодействия Компоненты инженерно-геологических условий, информация о которых необходима для оценки процесса Реакция геологической среды. Геологические и инженерно-геологические процессы Характер деформации зданий

дисперсные грунты (суглинки, супеси, пески, дресБяный и щебенистый грунты) скальные и палускальные грунты

Уплотнение статическое Вес здания Величина дорузкн. размеры, глубина, форма заложения фундаментов Мощность, минеральный состав, физико-механические свойства (б т. ч. степень сжимаемости грунтов). гидрогеологические условия Залегание геологических слоев, геолого-структурное строение, мощность, физнко-механнческне свойства грунтов (в т.ч. степень сжимаемости грунтов), гидрогеологические условия Статическое уплотнение Неравномерные осадки (крен, прогиб, выгиб, перекос)

Уплотнение динамическое Вибромашины., транспорт, катки Интенсивность, длительность воздействия и положение источников Мощность, минеральный состав, физико-механические свойства, гидрогеологические условия Мощность полускальных грунтов, гидрогеологические условия Уплотнение или вибрационное разжижение дисперсных н полускальных 1рунгов (тнксотропия) Неравномерные осадки здания (крен фундаментов)

Внутреннее разрушение массива Вынимание грунта Глубина, длина., время метеорологические воздействия Неоднородность грунтов и их выходы, физико-механические свойства, гидрогеологические условия Залегание геологических слоев, геолого-структурное строение, мощность, физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия Выветривание, нарушение поверхностного и подземного стока, оползни, пучение, набухание Осадки, трещины в стенах и фундаментах зданий, провалы

Подтопление Водонесузцие коммуникации, накопление конденсационных вод Величина приходного потока, механизм процесса подтопления Минеральный состав (тип грунтов), физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия Физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия Изменение НДС, суффозия, оползни, набухание, просадки, бар-ражный эффект Выпучивание и неравномерная осадка фундаментов, провалы

Снижение напора Дренажные сооружения Величины понижения УПВ Неоднородность гранулометрического состава, физико-механические свойства, градиент напора Характер заполнителя трещин, гидрогеологические условия Фильтрационное уп-лотненне, суффозия Неравномерные осадки здания (прогиб)

Рис. 2. Схема взаимодействия ПТС «Геологическая среда - Высотное здание»

блоков верхней части земной коры - Верх-Исетского и Шарташского. Образование тектонических блоков увеличивает сложность и неоднородность геологического строения и влияет на образование участков и зон разрушенных пород, которые являются причиной малой устойчивости грунтов в котлованах и их значительной деформируемости. Например, вскрытая мощность зон дробления составляет 15-16 м на контакте габбрового и гранитного массивов (высотные здания «Татшцевский», «Екатеринбург-Сити»), 35 м в пределах контакта сланцев и серпентинитов девонского возраста (высотное здание «Высоцкий»). Определяющее влияние на условия развития инженерно-геологических процессов оказывают состав и свойства заполнителя трещин. Примером могут служить котлованы под здания «Высоцкий» и «Рэдиссон», где открытые трещины - преимущественно сколовые, покрыты корочками талька, некоторые трещины заполнены кварцем [1-4].

Сейсмические условия. Средний Урал отнесен к потенциально сейсмичным регионам, в котором при проектировании инженерных сооружений необходимо учитывать вел типу расчетной силы сейсмического воздействия. Фоновая величина расчетной силы сейсмического воздействия для условий грунтов второй категории по сейсмическим свойствам по классификации СНиП П-7-81* на территории Екатеринбурга по результатам ОСР-97 принята в 6 баллов для объектов повышенной ответственности и в 8 баллов - по шкале М8К-64 для особо ответственных объектов. Согласно схематической карте сейсмического районирования (Гуляев А.Н., 2007), г. Екатеринбург сложен преимущественно фунтами первой и второй категорий по сейсмическим свойствам по классификации СНиП И-7-81*. Выполнены микросейсмические исследования на площадке проектируемого высотного здания «Рэдиссон» по ул. Малышева-Красноармейская: сейсмическая интенсивность на поверхности фунта составляет 6 баллов; на уровне заложения фундамента - 5. Инженерно-сейсмические

условия на территории города Екатеринбурга благоприятные и безопасные для большей части инженерных объектов [2,4,8,12,13].

Литолого-петрографические условия. В инженерно-геологическом отношении территория г. Екатеринбурга имеет двухъярусное строение. Нижний ярус представлен скальными грунтами различного возраста. Верхний ярус сложен рыхлыми песчано-глинистыми, обломочными образованиями мезозоя и отложениями четвертичного возраста (аллювиальными, делювиальными, озерно-болотными, болотными и техногенными). Структурно-тектонические особенности отражают строение грунтов, определяют их прочность и сопротивление выветриванию. Повышенной механической прочностью характеризуются грунты с кристаллическими структурами - зернистыми, порфировыми. Установлено, что для порфиритов предел прочности на одноосное сжатие достигает значений Дг=128,3 МПа (ВЗ«Атриум»), амфиболитизированное габбро - 7?с= 188,5 МПа(ВЗ «Москва»), гранитов - Д,=58,5 МПа (жилой дом по ул.Высоцкого, 18д), среди метаморфических пород наиболее прочные породы с гранобластовой и роговиковой структурами - К =52,3 МПа(ВЗ «Высоцкий») [2,3,7].

Процессы метаморфизма, метасоматоза, а также процессы выветривания приводят к изменению физико-механических свойств горных пород. Так, на участке строительства жилого комплекса «Москва» габбро в массиве претерпело интенсивные метаморфические изменения, приобрело сланцеватую, неяснополосчатую текстуру, основные породообразующие минералы заменены вторичными.

Глубина котлованов под высотные здания в пределах г.Екатеринбурга составляет 10-18 м, четвертичные грунты имеют небольшую мощность и в основном, влияют на устойчивость стенок котлована. Значения физико-механических свойств дисперсных грунтов приведены в табл. 2.

Гидрогеологические условия. При строительстве зданий, подземные воды влияют на изменение физико-механических свойств при устройстве дренажей, активизацию геологических процессов и определяют устойчивость горных пород в бортах котлованов. На территории г. Екатеринбурга развиты трещинные, трещинно-жильные безнапорные горизонты и комплексы. Зеркало подземных вод повторяет рельеф земной поверхности и залегает на глубине от 0,2 до 12миболее21 м.

Обводнение котлованов обусловлено распространением трещинных и поровых вод. Формирование этих вод происходит благодаря трещиноватости массивов тектонического и экзогенного происхождения. Среди экзогенных процессов главными являются трещины выветривания, разгрузки.

Геодинамические условия. При вскрытии грунтового массива котлованом происходит изменение естественного поля напряжений. В стенках котлована формируется подзоны разгрузки, концентрации напряжений и естественных напряжений. Вертикальные и горизонтальные деформации пород связаны с водопонижением, в результате чего в пределах депрессионной воронки наблюдаются перераспределение напряжений вследствие снятия эффекта гидростатического взвешивания, повышение напряжений в скелете грунта и уплотнение

Таблица 2

Физико - механические свойства дисперсных грунтов г. Екатеринбурга

Вид грунта Плотность, г/см' Влажность, дед. Пористость, % КоэМ- пористости, Д.ед. Предел текучести, Д.ед. Предел раскатывания, д.ед. Число пластичности, д.ед. Шшд,- модуль общей деформации., МПа Угол внутреннего трения, град. Удельное сцепление, МПа

1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11

Элювиальные грунты по гранита»

Суглинки 1.77-2,18 0.102-0.522 31.0-48.76 0.449-0.951 0.235-0.672 0.164-0.414 0.070-0.167 2.1-5,4 13-29 0.013-0.063

2,04 (28) 0,228 (34) 41.5(29) 0.709 (29) 0,393 (39) 0,291 (39) 0,102 (39) 3,6(13) 24(11) 0.038 (11)

Супеси 1.76-2.16 0.133-0.245 325-43,46 0.490-0.770 0,246-0335 0.181-0.295 0.026-0,067 4.5-83 21-32 0.023-0.030

2.00 (8) 0.190 (8) 38,1 (8) 0,623 (8) 0,295 (7) 0,237 (7) 0.058 (7) 6,4(2) 27(2) 0,026 (2)

Элювиальные грунты по метаморфическим горным породам

Глины 1.69-2.09 0.160-0.475 41.5-60.0 0.711-1.530 0.430-0.650 0.253-0.457 0.171-0300 1.9-55 15-31 0.020-0.063

1.86(25) 0,348 (26) 51,0(25) 1,063(25) 0.566 (26) 0.340 (26) 0,226 (26) 3,0(17) 21(18) 0.035 (17)

Суглинки 1.71-2.18 1.98(31) 0.112-0.470 0,274 (34) 29.6-59,7 42,9 (31) 0.420-1.375 0,771 (31) 0.270-0.690 0,427 (34) 0.180-0.530 0.305 (34) 0.071-0.160 0,123 (34) 2.6-63 4.6 (17) 17-28 24(23) 0.023-0.060 0,035 (22)

Элювиальные грунты по габбро

Суглинки 1.78-2.18 0.180-0,273 37.5-19,2 0.600-0.970 0.348-0.580 0233-0.333 0.071-0.194 1.9-65 24-39 0.018-0.067

2.01 (10) 0,222 (10) 42,6 (10) 0,749 (10) 0,384 (10) 0.300 (10) 0,094 (10) 4,2 (9) 30(9) 0.046 (8)

Супеси 1.90-2.35 2,07 (15) 0.098-0,190 0.145 (16) 27.6-43.6 36.0(15) 0382-0.773 0.572 (15) 0,262-0.424 0,334(18) 0.212-0.343 0.284 (18) 0.020-0.073 0,049 (16) 5.3-11.8 4,1 (13) 21-45 35(8) 0.010-0.097 0,055(8)

Делювиальные грунты

Глины 1.94-2,17 2,00(11) 0.200-0,296 0.255 (11) 36.7-46.8 42,8(11) 0.579-0.881 0.753 (11) 0,373-0.523 0,440(11) 0.190-0,305 0,238(11) 0.173-0.260 0,203 (И) 33(2) 16-25 20(5) 0.022-0.040 0,031 (5)

Суглинки 1.81-2.16 0.155-0.270 33.8-44.1 0.511-0.788 0.230-0395 0.156-0.259 0.070-0.152 3.0-7.4 17-29 0.020-0.053

2,05(17) 0.214 (18) 383(17) 0.619 (18) 0331 (18) 0,212(18) 0,118(18) 4,7(7) 23(10) 0,036 (9)

Аллювиальные грунты

Глины 1.57-2.09 0.190-0.696 35.6-59.6 0.554-1.474 0.360-0.822 0.174-0.474 0.180-0348 1-2-33 14-22 0.009-0.047

1,91 (12) 0,326(13) 45.6(12) 0.863(12) 0,476(13) 0,248(13) 0,228(13) 2,2(2) 19(9) 0,027(9)

Суглинки 1.81-2.23 2.02(18) 0.160-0310 0,221(20) 29.5-50.9 393(18) 0.423-1.040 0.670(18) 0.220-0.450 0.306(20) 0.130-0.244 0,180(20) 0.097-0.170 0,120(20) 2.2-6.7 4Д10) 13-27 22(14) 0.010-0.050 0.030(14)

Озерно-болотные грл-нты

Торф 0,94-1.18 1,01(12) 1,056-4,950 3,599(15) 73 J5 -89.8 85,1(10) 2.777-8.098 6.274(10) 0.10-0.21 0,14(4) 19-27 22(4) 0,007-0.021 0,011(4)

Суглинки и 1,78-2.07 0.130-0.530 332-53,0 0.498-1.118 0.170-0.610 0.110-0.338 0.108-0.280 1.7-55 9-27 0,021-0.033

глины 1.94(28) 0,300(29) 44,7(28) 0.829(28) 0,378(30) 0,216(30) 0,161(30) 2.7(10) 17(16) 0,028(15)

Примечание: В числителе - max, в знаменателе лш значения свойств, в скобках указана количество офеделений.

пород. Например, общий линейный размер зоны влияния котлована, выработанного под здание «Пассаж» на глубину 18 м, на ближайшие здания (торговый центр «Успенский», администрация города Екатеринбурга, торговый центр «Березка»), составляет не более 100 м.

Геологические и инженерно-геологические процессы. При оценке устойчивости высотного здания большое значение имеют современные геологические процессы. Из них наиболее значимы те, которые приводят к деформациям зданий и сооружений (выветривание, гравитационные процессы и тектоническая нарушенность, подтопление, изменение НДС).

2. Своеобразие грунтовых массивов формирует состояние устойчивости ПТС «ГС — ВЗ»» и определяет условия и этапы строительных работ, элементов конструкции фундамента и глубины его заложения.

В г. Екатеринбурге в период с 2000 по 2011 гг. построено более 60 высотных зданий, приуроченных к разнообразным грунтовым массивам. Обобщен и проанализирован материал ОВ ПТС в районах развития гранитных и габбровых массивов, метаморфических вулканогенно-осадочных пород, в зонах контактов гранитов с габбро, габбро со сланцами, сланцев с серпентинитами и в денуда-ционно-тектонической впадине р. Исети (табл.3). С учетом расположения грунтовых массивов, в диссертационной работе, рассмотрены профили коры выветривания по классификации Яр г Л.А., характеристика минерального состава зон выветривания, физико-механические свойства грунтов области взаимодействия. Более подробно описаны ОВ ВЗ по ул. Высоцкого, 18д, ул. Чкалова, 124, «Екатеринбург-Сити», «Зеленая роща», «Панорама», «Бажовский», «Татищевский», «Антей», «Высоцкий», «Адмиральский» [1-4, 7, 10, 12].

В ОВ ПТС «ГС-ВЗ» гранитных массивов принимают участие граниты, гра-нодиориты, кварцевые диориты массивной текстуры, средне-крупнозернистой структуры, которые слагают крупные интрузивные тела. С поверхности породы перекрыты корами выветривания, разрез которых представлен в следующем виде: 1) трещинная зона (I) - мощностью до 8 м; 2) глыбовая зона (11а) - мощностью 3-8 м; 3) щебенистая зона (Нб) - мощность 0,2-11 м; 4) дисперсная зона (IV) - мощностью 0,5-4,6 м.

Вещественный состав зон довольно однороден (сверху-вниз): каолинит —* каолинит+гидрослюды -+ полевой шпат+слюда —► гранит. Сверху коры выветривания перекрыты отложениями различного генезиса четвертичного возраста. Уровень подземных вод залегает на глубинах 1,1-3,2 м. Величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 5,5-6,0 баллов. Шарташский гранитный массив расположен в восточной части г. Екатеринбурга, в пределах Чистовской впадины, и характеризуется близким залеганием кровли скальных грунтов (0,1-2,4 м). Верх-Исетский гранитный массив расположен в пределах Юго-западной впадины, с залеганием кровли скалы на глубине 4,1-12,0 м.

Таблица 3

Общая характеристика ПТС «ГС - ВЗ» г. Екатеринбурга __

Типы массивов горных пород Геоморфологические условия Гидрогеологические условия Глубина залегания кровли скальных фунтов, м Мощность коры выветривания, м Зональность коры выветривания (мощность), м Величина силы сейсмического воздействия, баллов Тип фундамента

дисперсная зона (IV) обломочная зона (II) трещиноватая зона (I)

щебенистая ("6) глыбовая (На)

Гранитный массив Чистонекая и Юго-западная впадины 1,1-3,2 м 0,1-12,0 0,5-14 0,5-4,6 0,2-11 3-8 8 5,5-6 Столбчатый и ленточный

Габбровый массив Тектонические впадины, возвышенности, периферийный вал городской радиально-концентрической структуры Во впадинах 0,7-6,8 м, на возвышенностях 7,8-12,0 м 0,7-18 0,2-26 0,2-17 0,3-4 1-15 21 6-7 Ленточный, столбчатый, монолитная плита

Метаморфические Тектонические возвышенности и впадины Во впадинах 1,5-3,5м, на возвышенностях 5,3-6,8 м и >21 м (при во-допонижении в метро) 3,5-11,0 и >21 1,0-35 1->21 0,6-35 1-16 - 5-6 Монолитная плита, столбчатый

Контакты горных порол Тектонические возвышенности и впадины Во впадинах 6,0-15,0м, на возвышенностях 2,2-7,8 м 0,5-25 и >35 0,3-14 и >35 0,3-22 0,5-7,5 1,5-20 - 6-8 Монолитная плита, столбчатый, комбинированный,

По берегам реки Исети Исстская дснудационно-тектоническая впадина 0,0-5,1 м 1,8-16 0,5-11,3 0,5-5,8 1,0-5,3 0,7-9,0 - 6-7 Свайный

В пределах гранитных массивов построенные жилые дома высотой до 80 м запроектированы на столбчатых отдельностоящих и ленточных фундаментах, глубиной заложения 3-5 м. В пределах Шарташского массива фундаменты опираются на граниты средней прочности и прочные, в пределах Верх-Исетского -на дресвяно-щебенистые грунты и граниты низкой и пониженной прочности.

В северо-западной и центральной частях города развит комплекс пород девонского возраста Балтымского габбрового массива. В ОВ ПТС залегают габбро среднезернистые, реже мелко- и крупнозернистые, массивные, иногда гнейсовидные. Разрез коры выветривания габбро представлен в следующем виде: 1) трещинная зона (I) - мощностью до 21 м; 2) глыбовая зона (Иа) -мощностью 1-15 м; 3) щебенистая зона (Пб) — мощностью 0,3-4,0 м; 4) дисперсная зона (IV) - мощностью 0,2-17 м. В целом габбровый массив характеризуется близким залеганием к поверхности скальных фунтов (0,8-7,0 м) и лишь в краевых участках массива до 18 м. Уровни подземных вод залегают на глубине 0,7-6,8 м, в краевых участках массива на 7,8-12,0 м. Величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 6,0-7,0 баллов.

Столбчатые отдельностоящие фундаменты, заложенные на глубину до 6 м, опираются на габбро пониженной прочности, малопрочное и средней прочности. Основанием монолитных фундаментов на глубине 16-18 м служит габбро средней прочности. В краевых частях массива, где развиты разносжимаемые грунты (суглинки, супеси элювиальные, габбро пониженной прочности и малопрочное) применяются монолитные фундаменты глубиной заложения 6-9 м.

В ОВ ПТС метаморфических вулканогенпо-осадочиых пород залегают базальты, кварцевые альбитофиры, диабазы, их вулканические брекчии и туфы, сланцы углисто-кремнистые, серицит-кварцевые, хлоритовые, эпидот-хлоритовые, альбит-эпидот-кварцевые. Породы в значительной степени подвергнуты процессам динамометаморфизма и регионального зеленокаменного метаморфизма. Перечисленные скальные грунты повсеместно перекрыты рыхлыми продуктами выветривания материнских пород элювиального и элювиально-делювиального генезиса. Разрез коры выветривания представлен в следующем виде: 1) глыбовая зона (Па) - 1-16 м; 2) щебенистая (Па) - мощностью 0,63,5 м; 3) дисперсная зона (IV) — мощностью от 1,0 м до более 21 м. Глинистые продукты выветривания состоят из монтмориллонита, каолинита, нонтронита, бейделлита и др. минералов. Кровля скальных фунтов имеет неровный характер и залегает на глубине 3,5-11,0 м, в зонах развития карманов выветривания на глубине 20 и более метров. На возвышенных участках уровень подземных вод встречается на глубине 5,3-6,8 м, на участках водопонижения (метрополитена) >21 м. Для бортов Исетской впадины характерно неглубокое залегание уровня подземных вод — 1,5-3,5 м. Величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 5-6 баллов.

В связи с неравномерным залеганием кровли скальных фунтов, основанием фундаментов высотных и уникальных зданий служат суглинки элювиальные, скальные фунты различной прочности и трещиноватости. Жилые и административные здания высотой 80-136 м построены на монолитной плите, глу-

биной заложения 7,5-10 м («Панорама», ЖК «Бажовский Премиум»), иногда на столбчатых отдельностоящих фундаментах (ТЦ «Призма»),

В городе Екатеринбурге находятся высотные здания, расположенные в зонах контактов горных пород. Это может быть контакт гранитов с габбро («Татищевский»), габбро со сланцами («Жемчужина Сортировки»), сланцев с серпентинитами («Антей»). Разрез коры выветривания представлен: 1) глыбовая зона (На) - мощностью 1,5-20 м; 2) щебенистая (На) - мощностью 0,5-7,5 м; 3) дисперсная зона (IV) - мощностью от 0,3-22 м до более 35 м. Для этих участков характерны глубокие карманы выветривания до 35 м, с крупнообломочными зонами дробления кварцевых жил. На возвышенных участках уровень подземных вод встречается на глубине 2,2-7,8 м, в пониженных участках - на глубине 6,0-15,0 м. Величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 6-8 баллов.

В зоне контакта сланцев и серпентинитов применяют комбинированные типы фундаментов: свайные на сланцах низкой и пониженной прочности; от-дельностоящие на серпентинитах средней прочности. Под здание «Высоцкий» заложена монолитная плита высотой 2,2 м на глубине 7 м в пределах сланцев различного возраста и состава от низкой до средней прочности. На контакте габбро и гранитов основанием столбчатых отдельностоящих фундаментов служат супесь элювиальная, дресвяно-щебенистый грунт и скала от низкой прочности до прочной.

ОБ ПТС «ГС-ВЗ» в денудационно-тектонической впадине р. Исети развиты аллювиальные отложения различного состояния и свойств мощностью до 8 м, в основании которых залегают породы различного генезиса, состава, возраста, степени выветрелости, трещиноватости и тектонической раздробленности. Кора выветривания представлена: 1) глыбовой зоной (На) - мощностью 0,7-9,0 м; 2) щебенистой зоной (Нб) - мощностью 1,0-5,3 м; 3) дисперсной зоной (IV) - мощностью 0,8-5,8 м. Аллювий образует сложные чередующиеся слои и прослойки глин и песка, в основании которых залегают галечники. Уровни подземных вод достаточно близки к поверхности и находятся на глубине 0,0-5,1 м. Величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 6-7 баллов.

В пределах Исетской впадины высотные здания построены на свайных фундаментах, которые опираются на скальные грунты от низкой до средней прочности с заложением ростверков на глубине 6-12 м.

Для всех ПТС «ГС-ВЗ», расположенных в различных грунтовых массивах, характерно развитие опасных геологических и инженерно-геологических процессов. Выветривание свойственно всем грунтовым массивам, но с различной интенсивностью. Метаморфическим породам и зонам контактов характерна тектоническая раздробленность. Суффозионный процесс, фильтрационное уплотнение, образование мульд сдвижения могут развиться в крупнообломочных грунтах гранитных, габбровых массивов, а также в аллювиальных фунтах, при строительном водопонижении уровня подземных вод. Во время эксплуатации зданий во всех ПТС возможно развитие подтопления и барражного эффекта, за счет прекращения строительного водопонижения. Для своевременного выявле-

ния и предотвращения опасных процессов необходимо проводить оценку и прогноз состояния геологической среды, а также разработку и внедрение мониторинга ПТС «ГС-ВЗ». Особенно это необходимо осуществлять на участках развития метаморфических пород и контактах горных пород.

3. Оценка и прогноз развития инженерно-геологических процессов должны быть выполнены аналитическими методами, позволяющими оценить этапность техногенного воздействия на грунтовый массив, что дает возможность оптимально запроектировать сооружение и обеспечить его безопасное функционирование.

Примером оценки и прогноза изменения состояния геологической среды послужило проектируемое 41-этажное (150 м) здание «Рэдиссон» (нагрузка на фундаменты 150 тс/м2), расположенное в зоне контакта сланцев и серпентинитов девонского возраста (рис. 3). Для такого контакта характерно наличие линейных кор выветривания, развивающихся по тектонически ослабленным зонам, крутопадающие пачки тальк-карбонатных пород пониженной прочности, малопрочных и средней прочности, которые вверх по разрезу переходят в дресвяно-щебенистые (мощностью 0,4-7,2 м) и суглинистые разновидности (мощностью 0,2-2,8 м). Также выделена жильная порода диоритового состава. УГВ находится на глубине 8 м.

Наблюдениями установлено, что за период с 09.09.2012 г. по 23.09.2012 г. потеря прочности тальк-карбонатных пород составила: для сильновыветрелых пониженной прочности 11 %, для выветрелых малопрочных - 15-33 %, для слабовыветрелых средней прочности - 13 %. Потери динамических свойств тальк-карбонатных пород составили: для пород сильновыветрелых 15%, для выветрелых -13—22 %; для пород средней прочности - 12 %. Наиболее интенсивно потеря прочностных и динамических характеристик грунтов отмечена в период интенсивного выпадения атмосферных осадков. В связи с этим при строительстве объекта не рекомендуется длительное простаивание открытых стенок и дна котлована, для исключения возможности замачивания грунтов и как следствие потери ими прочностных характеристик.

Для эффективности технического решения и устойчивости высотного здания глубины заложения фундаментов в пределах г. Екатеринбурга достигают 14-18 м. Чтобы предупредить возможное развитие гравитационных процессов на стадии заложения нулевого цикла, выполнена оценка устойчивости стенок котлована по методике ВНИМИ. По результатам расчетов установлено, что наиболее устойчивое положение грунтов будет при следующих углах: в тальк-карбонатных породах низкой и пониженной прочности 55-65°; малопрочных - до 70°; средней прочности и прочных жильных породах диоритового состава до — 78-80°, на участках вскрытия дисперсных грунтов — не более 45°. Однако следует отметить, что трещины субмеридионального простирания могут привести к нарушению устойчивости восточной стенки котлована , а трещины широтного и субширотного простирания нарушить устойчивость северной и южной

00

Рис. 3. Инженерно-геологический разрез ВЗ «Рэдиссон» и прогнозное районирование по степени устойчивости

Цитологический состав пород: /-техногенные грунты четвертичного возраста; 2-суглинок делювиальный четвертичного возраста; 3-суглинок элювиальный мезозойского возраста: -/-дресвяный грунт мезозойского возраста: 5-щебенистый грунт мезозойского возраста: б-скальный фунт низкой и пониженной прочности девонского возраста; 7-скальный грунт малопрочный девонского возраста; ^-скальный грунт средней прочности девонского возраста; 9-жильная порода диоритового состава прочная. Класс устойчивости пород: /0-устойчивые породы: //-средней устойчивости: /2-неустойчивые породы; /3-весьма неустойчивые породы. Прочие: /-/-номер инженерно-геологического элемента; /5-установившийся уровень подземных вод (в числителе - глубина, м; в знаменателе - абсолютная отметка. N0; 16-глубина заложения фундамента, абс.м; 17-глубина заложения существующих зданий, м; /Я-контур проектируемого котлована; /9-У ГВ при водопонижении

Условные обозначения ® ЮР«5)

2 КШ 11 I III «аес I

12 | IV класс |

■>ЕЭ

Я 14 <3

г.ет и«»-»

ТГШЛ 16-»*•«_ 17

Проектируемое высотное здание "Рэдиссон"

пенок котлована. При соблюдении рассчитанных углов исключается возможность развития гравитационных процессов при разработке котлована.

Проявление суффозии может происходить по сценарию развития негативного влияния на земную поверхность - это формирование полостей и зон разуплотнения в обломочных грунтах в результате выноса мелких часпщ при понижении уровня грунтовых вод в момент строительства Для оценки способности грунтов противостоять поровой суффозии использовались разработки ВНИИГ имени Б.Б. Веденеева. Анализ исследований показал, что элювиальные щебенистые фунты являются суффозионно-устойчивыми (^\<20); дресвяные - су ффозионно-неу стойчивыми (/^.=35-333). Установлено, что в процессе строительства котлована суффозионно-неустойчивые фунты залегают выше положения уровня фунтовых вод, что свидетельствует о невозможности развития поровой суффозии для условий водопонижения при строительстве.

Главной особенностью высотных зданий по фавнению с обычными сооружениями является то, что удельное давление на основание под фундаментной конструкцией достигает значительных величин и в работу вовлекаются большие массы фунтов, обладающие, как правило, существенной неоднородностью в плане и по глубине. Поэтому увеличение размфов зоны влияния нужно учитывай при проектировании сооружений, примыкающих к высотному зданию, и при разработке мфоприятий по защите окружающей застройки.

Для рассматриваемого здания «Рэднссон» принята схема численного расчета параметров НДС в плоской упруго-пластичной модели (модель Мор-Кулона), реализованная в профаммном комплексе «РЬАХВ 9.3». Геометрическая модель включает типовое разделение фунтового массива по отдельным слоям (кластфам), структурным объектам, этапам сфоигельства, структурам водонасыщения и нафузкам. На рис. 4, 5 приведены результаты моделирования для линии инженфш-геологического разреза Л'°4, на которой находятся здания: «Высоцкий», «Антей» и «Парк Инн». Рис. 4, б иллюстрирует оценку влияния котлована после выемки фунта и водоотлива на геологическую феду в системе пфечисленных выше зданий, а рис. 5 — после завфшения строительства здания «Рэднссон». Установлено, что максимальные деформации на момент выемки фунта из котлована и на момент завфшения строительства в пределах области взаимодействия строящегося здания «Рэднссон» не превышают 15 мм. На рис. 6 приведен характф распределения дополнительных деформаций, вызванных строительством высотного здания в его непофедственной окрестности. Отмечается, что максимальные горизонтальные и вфтикальные деформации по линии №4 (15 мм) фиксируются только под зданием «Рэднссон», а в окрестности зданий "Высоцкий". "Антей" и "Парк Инн'' они не превышают уровень 5 мм. Столь несущественные несущественные деформации обусловлены значительной крепостью пород скального основания и низкой степенью пластичности массива в цепом.

На основе выполненных расчетов следует обратить внимание на необходимость разработки мер по геотехническому контролю в процессе строительства котлована и эксплуатации проектируемого сооружения.

-50,00 Ii 1 1 1— 0,00 1 1 1 1 1 1 1-1...1. 50,00 1 1 t 1 1 1 1 1 1 1 100,00 1 1 ! 1 1 1 I 150,00 200,00 I I 1 I I I I 1 ] I I I I I I I I 1 I I I I ! I 250,00 1 1 1 1 U.l.i 300,00 I I l I 1 I 1 I I 3SO.OO 1 1 1 1 1 1 1 1

Инютпгрпо-и-и.шпгк'скам 4UK.it. ни |ф. 4 Метры

Метры

Легенда

□ ИГЭ-1 насыпной грунт

В ИГЭ-2 Суглинок делювиальный

□ ИГЭ-3 Суглинок элювиальный О ИГЭ-4 Обломочные ътоеиальнь»

□ ИГЭ-5 Скальные грунты низкой

□ ИГЭ-6 Скальные грунты малопрс

□ ИГЭ-7 Скальные грунты средне* т ИГЭ-8 Жильные породы диорите

Jtu деформации[*10 in]

Bi'jiiикальнан комичномia дефирмшши

Park Inn. А А днаш « Aft да А АА А

Горшонтальмая компонента леформаннн

Высоцкий

Антей

Ч Ч ? = » т

нсличмна вертикальной компоненты деформации |* Н> '■»]

Рис. 4. а) Геометрия модели и легенда инженерно-геологических элементов по линии №4 до начала строительства; б) Горизонтальные и вертикальные компоненты деформации в модели по линии №4 на второй фазе развития НДС во

время строительства котлована и при водопонижении

0.00 50.00 100.00 190.00 200.00 250.00 300.00 350.00

■ ■ « ■ > I ■ ■ ■ ' ' ' ' ■ I ■ ■ ■ ' ' ' ■ ■ ■ 1 ' » ' ' ' ■ ■ ' ' I ' » ' | I | ' | ' > ' ' ' ■ » ' ' ' ' 1 ' ' ' ' 1 ' ■ ■ ' I I * I I I I I I ' I '

Метры

Кимпоисши юрншпимьныл. лсфорлгаинн

1Ц.МПЧИЯ.11 ор» цяпалыюн И1чтч1с.'ии .-.л^ориашп! I *'

Компонент вертикальных деформаций

Метры

«.пиши 1х-:чнычми:я мпикч:а<!и .мфирмапш |*10'|»)

Рис. 5. Горизонтальные и вертикальные компоненты деформации в модели по линии №4 на заключительной фазе развития НДС после строительства котлована и при водопонижении

Вертикальная компонента деформации

Высоцкий

Рис. 6. Компоненты дополнительных деформаций в модели по линии №4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. В мировой практике высотные здания строятся в основном на территориях с неглубоким залеганием скальных или полускальных грунтов, с применением свайных, плитных и свайно-плитных фундаментов. На участках с большой мощностью слабых грунтов возможность высотного строительства зависит от уровня технологического прогресса.

2. Высотные здания, возводимые в сложных инженерно-геологических условиях, целесообразно изучать как природно-техническую систему, которая включает две подсистемы: геологическую среду и высотное здание. Комплексная информация о компонентах сферы взаимодействия геологической среды с высотным зданием позволяет обосновать выбор типа фундамента, глубину его заложения, высоту (этажность) и применение инженерной защиты от экзогенных геологических процессов.

3. В работе выполнен анализ ОВ ПТС «ГС-ВЗ», расположенных в различных грунтовых массивах г. Екатеринбурга, и приведены примеры применяемых типов фундаментов и конструктивных особенностей высотного здания.

4. Отмечено, что возможность развития негативных процессов, влияющих на устойчивость и безопасное функционирование высотного здания, как на стадии разработки котлована, так и во время эксплуатации высотного здания, связана с особенностями инженерно-геологических условий ОВ ПТС.

5. На примере здания «Рэдиссон» выполнены оценка и прогноз возможного изменения свойств грунтов при вскрытии котлована, устойчивости грунтов в стенках котлована, оценка способности грунтов противостоять поровой суффозии и изменение НДС как на стадии разработки котлована, так и в период эксплуатации высотного здания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК России:

1. Особенности инженерно-геологического изучения элювиальных грунтов Урала/ С.Г. Дубейковский, В.В. Бодин, О.Н. Овечкина, А.И. Юртаев // Инженерная геология, июнь 2010. -С. 36-40.

2. Дубейковский С.Г., Овечкина О.Н. Инженерно-геологические условия высотного строительства в г.Екатеринбурге//Инженерная геология, декабрь 4/2011. - С. 32-41.

В научных сборниках, журналах и материалах конференций:

3. Овечкина О.Н., Дубейковский С.Г. Инженерно-геологические условия строительства высотного комплекса «Антей» в г. Екатеринбурге // Проблемы инженерных изысканий для высотного строительства в Уральском регионе: материалы научно-практической конференции (14 июня 2007 г.). - Екатеринбург: ЗАО «УралТИСИЗ», 2007 - С. 42.

4. Овечкина О.Н., Семакин В.П., Дубейковский С.Г. Особенности инженерных изысканий на Среднем Урале. Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий //Проблемы инженерной геологии карста урбанизированных территорий и водохранилищ: материалы Всеросс. науч.-практ. конф. / Перм. ун.-т; ВерхнекамТИСИз и др. - Пермь, 2008. - С. 246250.

5. Дубейковский С.Г., Семакин В.П., Овечкина О.Н. Закономерности формирования генетических типов грунтов Урала и Зауралья //Инженерная геология, март 1/2008 - С. 24-26.

6. Дубейковский С.Г., Семакин В.П., Овечкина О.Н. О совершенствовании инженерных изысканий в Уральском регионе// Инженерные изыскания, октябрь 5/2008-С.48-50.

7. Овечкина О.Н., Дубейковский С.Г., Семакин В.П. Генетическая обусловленность формирования физико - механических свойств грунтов г. Екатеринбурга //Международный год планеты Земля: проблемы геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии: материалы научной конференции по проблемам геоэкогогии, инженерной геологии и гидрогеологии 23-24 декабря 2008 г., г. Томск. - Томск: Изд-ро ТГАСУ, 2008. - С. 158-164.

8. Дубейковский С.Г., Овечкина О.Н. Инженерные изыскания - основа безопасного строительства на Среднем Урале // Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа - регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург, 2009. - С. 153155.

9. Дубейковский С.Г., Семакин В.П., Овечкина О.Н. Техногенная трансформация инженерно-геологических условий Уральского региона //Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий: материалы Второй Всероссийской научно-практической конференции (Россия, г. Екатеринбург, УГГУ, 26-27 ноября 2009 г./редкол.: О.Н. Грязное (от-ветств. редактор) и др. -Екатеринбург: УГТУ, 2009. - С. 188-190.

10. Овечкина О.Н., Дубейковский С.Г., Семакин В.П.. Элювиальные грунты - новые подходы их изучения при высотном строительстве на Урале //Сергеевские чтения. Научное обоснование актуализации нормативных документов инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий. Вып. 12. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии ( 23-24 марта 2010 г.). - М.: РУДН, 2010.-С. 273-275.

11. Овечкина О.Н., Дубейковский С.Г. Качество изысканий - первый и основной элемент безопасности объектов капитального строительства //Международный научно-промышленный симпозиум «Уральская горная школа - регионам»: сборник докладов. - Екатеринбург, 2010. - С. 456-457.

12. Дубейковский С.Г., Овечкина О.Н. Инженерно-геологическая информация -основа безопасного проектирования, строительства и эксплуатации сооружений //Экологическая безопасность регионов: материалы И Уральского международного экологического конгресса г. Екатеринбург, Пермь, 17-20 мая 2011 г. / под ред. д.г.-м.н., проф. А.И. Семячкова. - Екатеринбург: Свердловское областное отделение общественной организации «Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы (СОО ОО - МАНЭБ)»: Институт экономики УрО РАН, 2011. - С. 192-196.

13. Овечкина О.Н. Опыт инженерно-геологических изысканий под высотное строительство в г. Екатеринбурге //Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий: материалы Всероссийской научно-практической конференции (Россия, г. Екатеринбург, УГГУ, 20-21 декабря 2011 г.) / редкол.: О.Н. Грязное (ответств. редактор) и др. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2011. - С. 90-93.

Подписано в печать 18.11.2013.Бумага писчая. Формат 60x84 1/16 Печать на ризографе. Печ. л. 1.0. Тираж 110 экз. Заказ 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. Издательство Уральского государственного горного университета Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники издательства УГГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Овечкина, Ольга Николаевна, Екатеринбург

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Овечкина Ольга Николаевна

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЗДАНИЙ ВЫСОТНОЙ КОНСТРУКЦИИ В ПРЕДЕЛАХ ГОРОДА ЕКАТЕРИНБУРГА

Специальность 25.00.08 - «Инженерная геология, мерзлотоведение и

грунтоведение»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель -доктор геолого-минералогических наук, доцент Абатурова И.В.

Екатеринбург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ВЫСОТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В РОССИИ И В МИРЕ..............................................................12

1.1. Историческая справка о высотном строительстве..........................12

1.2. Типы фундаментов, применяемые в мировой практике под высотное строительство..........................................................................................15

1.3. Классификация высотных зданий..................................................................20

1.4. Состояние нормативной базы в России для проведения инженерно-геологических изысканий под высотное строительство..................................................................................................................21

1.5. История развития высотного строительства в г. Екатеринбурге............................................................................................................................................25

Выводы........................................................................................................................................................30

2. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА - ВЫСОТНОЕ ЗДАНИЕ»....................................................................................32

2.1. Условия функционирования и компоненты области

взаимодействия природно-технической системы..................................38

2.1.1. Физико-географические условия........................................................................38

2.1.2. Геолого-структурные условия..............................................................................41

2.1.3. Сейсмические условия..................................................................................................48

2.1.4. Литолого-петрографические условия......................................................52

2.1.5. Гидрогеологические условия..............................................................................56

2.1.6. Геодинамические условия....................................................................................60

2.1.7. Геологические и инженерно-геологические процессы..................62

Выводы......................................................................................................................................................65

3. ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА «ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА - ВЫСОТНОЕ ЗДДНИЕ» НА ПРИМЕРЕ

Г. ЕКАТЕРИНБУРГА........................................................... 66

3.1. Характеристика ПТС «ГС - ВЗ», расположенных в пределах гранитных массивов..............................................................................................66

3.2. Характеристика ПТС «ГС - ВЗ», расположенных в пределах габбровых массивов..................................................................................................72

3.3. Характеристика ПТС «ГС - ВЗ», расположенных в пределах метаморфических вулканогенно-осадочных пород..................79

3.4. Характеристика ПТС «ГС - ВЗ», расположенных в зонах контактов горных пород................................................ 87

3.5. Характеристика ПТС «ГС - ВЗ», расположенных в пределах денудационно-тектонической впадины р. Исети..........................95

Выводы............................................................................. 102

4. ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПТС «ГС - ВЗ....................................... 107

4.1. Оценка изменения свойств грунтового массива при вскрытии котлована................................................................... 107

4.2. Оценка устойчивости грунтов в стенках котлована............... 111

4.3. Суффозионный процесс и оценка суффозионной устойчивости............................................................... 120

4.4. Оценка прогнозного развития деформаций грунтового

массива и дневной поверхности в районе котлована.............. 125

Выводы.............................................................................. 132

5. ОРГАНИЗАЦИЯ МОНИТОРИНГА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ Г.ЕКАТЕРИНБУРГА.............................................................. 134

5.1. Общие правила организации мониторинга......................... 134

5.2. Методы инструментального мониторинга....................................................138

5.3. Организация мониторинга высотного здания «Рэдиссон» 142

5.4. Рекомендации для разработки защитных мероприятий..................145

Выводы............................................................................................................................................................146

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................147

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ........................................................................................................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Строительство высотных зданий в крупных городах ведется по принципу точечной застройки во вновь сформированных в результате воздействия существующих зданий и сооружений инженерно-геологических условиях. Мировой опыт возведения и эксплуатации крупных сооружений и высотных зданий подтверждает, что нередко аварии и негативные явления связаны с недостаточной изученностью геологических условий и ошибочным или неточным прогнозированием развития инженерно-геологических процессов, имеющих место в грунтовых массивах [24]. Поэтому наиболее актуальной проблемой при разработке проектных решений конструкций фундаментов высотных и уникальных зданий является обеспечение геотехнической и геомеханической безопасности.

Город Екатеринбург образовался как город-завод на берегах реки Исети. Композиционные и функциональные основы его построения определили дальнейшее развитие планировочной структуры и сетки улиц центра города, своеобразие его ландшафта (заводской пруд, плотина, русло реки, раскрытие на них центра города). Исторический центр города и сейчас формирует его своеобразие. Строительство первых высотных зданий XXI века (Антей, Февральской Революции, Екатеринбург-Сити) происходит именно в исторической части города. Но, несмотря на значительное количество уже существующих зданий, опыт изучения инженерно-геологических условий, их прогноза и оценки их влияния на выбор технологии строительства только формируется и требуется особый подход к проведению таких работ. Эта проблема связана как со сложными инженерно-геологическими условиями, сформировавшимися в результате длительной и сложной истории геологического развития Урала, так и с повышенной ответственностью проектируемых объектов капитального строительства.

Объектом исследований является геологическая среда г. Екатеринбурга, свойства которой определяются сочетанием геологических, гидрогеологических, геодинамических условий и развитием инженерно-геологических процессов при строительстве высотных зданий.

Предметом исследования являются компоненты природно-технической системы «Геологическая среда - Высотное здание» (далее ПТС «ГС - ВЗ») г. Екатеринбурга, влияющие на устойчивость и безопасность объектов капитального строительства

Идея работы. Изучение структуры и функциональных элементов ПТС «ГС-ВЗ» и прогноз изменения геологической среды при техногенном воздействии высотных зданий.

Цели работы. Оценка и прогноз изменения геологической среды г. Екатеринбурга при строительстве высотных зданий для обоснования устойчивости и безопасного функционирования в условиях плотной городской застройки.

Основные задачи исследований.

1. изучение структуры и функциональных элементов ПТС «ГС - ВЗ»;

2. изучение условий функционирования и компонентов области взаимодействия ПТС «ГС - ВЗ»;

3. исследование области взаимодействия (ОВ) ПТС «ГС-ВЗ», расположенных в различных грунтовых массивах;

4. оценка и прогноз возможного развития инженерно-геологических процессов как на стадии разработки котлована, так и во время эксплуатации высотного здания;

5. разработка мониторинга за компонентами ПТС «ГС - ВЗ» и окружающей застройкой.

Фактический материал и личный вклад автора.

В основу диссертационной работы положены исследования автором инженерно-геологических условий высотных зданий в пределах г. Екатеринбурга, которые проводились в период работы в ООО Научно-изыскательский центр «СтройГеоСреда» с 2000 по 2013 гг. и обучения в аспирантуре, в том числе анализ фондовых материалов ученых и специалистов треста «УралТИСИЗ», ООО «Николай-ИнГео», ООО «ГИНГЕО», ООО «Уралгеоэкология», ООО НПО «Инженерный центр исследований и проектирования», ГОУ HI 111 «УралСейсмоЦентр», ФГБУН «Институт геофизики» УрО РАН и других проектно-изыскательских организациях города.

Кроме того, автором проводились полевая документация скважин, полевые исследования, камеральная обработка материалов, строительное сопровождение при разработке котлованов, обследование дна и стенок котлованов на стадии строительства высотных зданий г. Екатеринбурга.

Основные методы исследований - изучение, анализ и обобщение инженерно-геологических материалов по высотному строительству; визуальное обследование котлованов; полевые и лабораторные исследования физико-механических, фильтрационных свойств грунтов; расчетно-теоретические методы по оценке устойчивости бортов проектируемого котлована, напряженно-деформируемому состоянию массива пород и его изменению при строительстве проектируемого сооружения; современные методы моделирования с использованием программного обеспечения «PLAXIS 9.3».

Реализация результатов исследований. Научно-практические разработки по оценке и прогнозу инженерно-геологических процессов в пределах города Екатеринбурга внедрялись на участке строительства уникального здания «Пассаж» и многофункционального высотного

комплекса «Рэдиссон», такими организациями как ЗАО «АСК-Отель», ООО СМП «ГорРемСтрой».

Научная новизна работы определяется следующими основными результатами:

1. Предложена структура природно-технической системы «Геологическая среда - Высотное здание».

2. Обоснован набор компонентов сферы взаимодействия геологической среды с высотным зданием.

3. Рассмотрены области влияния ПТС «ГС-ВЗ», расположенные в различных грунтовых массивах.

4. Выполнены оценка и прогноз изменения состояния геологической среды и развития инженерно-геологических процессов при строительстве и эксплуатации высотных зданий.

5. Получены модели распределения горизонтальных и вертикальных компонент деформаций грунтового массива на различных этапах строительства.

Защищаемые положения.

1. ПТС «ГС - ВЗ» является областью системного взаимодействия высотного сооружения и грунтового массива, природно-технические условия которого определяются набором инженерно-геологических компонент и их параметров с учетом глубины заложения фундамента, его конструктивных особенностей и величины силовой нагрузки, добавленной в существующую систему городской застройки.

2. Своеобразие грунтовых массивов формирует состояние устойчивости ПТС «ГС - ВЗ»» и определяет условия и этапы строительных работ, элементов конструкции фундамента и глубины его заложения.

3. Оценка и прогноз развития инженерно-геологических процессов должны быть выполнены аналитическими методами, позволяющими оценить

этапность техногенного воздействия на грунтовый массив, что дает возможность оптимально запроектировать сооружение и обеспечить его безопасное функционирование.

Практическая значимость работы.

Результаты работы по оценке и прогнозу изменения геологической среды и рекомендации по разработке защитных мероприятий были использованы в процессе проектирования и строительства уникального здания «Пассаж» и высотного здания «Рэдиссон». Результаты исследований области взаимодействий ПТС «ГС-ВЗ» могут быть использованы для своевременного обоснования экономической оценки выбора проекта высотного здания, применяемого типа фундамента, конструктивных особенностей и создания мониторинга ПТС «ГС-ВЗ» в сходных природно-технических условиях.

Достоверность научных положений и выводов. В основу диссертационной работы положены результаты инженерно-геологических изысканий по 35 объектам, обработки 550 скважин, 7011 пог. м бурения, проведения полевых и лабораторных исследований. Прогноз и оценка инженерно-геологических условий выполнены по двум зданиям. В работе использованы инженерно-геологические, гидрогеологические, геофизические методы исследования, направленные на оценку изменения свойств грунтов при вскрытии котлованов, а также расчетные данные по устойчивости грунтов в стенках котлована, суффозионной неустойчивости грунтового массива, создание моделей напряженно-деформируемого состояния.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде международных и всероссийских научно-практических конференций: научно-практической конференции «Проблемы инженерных изысканий для высотного строительства в Уральском регионе» (ЗАО

«УралТИСИЗ», 2007), 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и задачи инженерно-строительных изысканий» (Пермский гос. ун-т, 2008), научной конференции «Международный год планеты Земля: задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии» (Томск, 2008), Международном научно-промышленном симпозиуме «Уральская горная школа - регионам» (Уральский государственный горный университет, 2009, 2010, 2012), научно-практической конференции «Проблемы комплексных инженерных изысканий для всех видов строительства» (ЗАО «УралТИСИЗ», Екатеринбург, 2009), II Всероссийской научно-практической конференции «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, 2009), на годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (Сергеевские чтения, Москва, 2010), II Уральском международном экологическом конгрессе (Пермь, 2011), седьмой общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2011), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий (Уральский государственный горный университет, Екатеринбург, 2011), международной научно-практической конференции «Инженерные изыскания в условиях саморегулирования» (Екатеринбург, 2012) и международной научно-технической конференции «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии (посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.Д. Ломтадзе)» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 13 опубликованных работах, в том числе 2 статьях в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы

Диссертация изложена на 159 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 130 наименований, содержит 46 рисунков, 20 таблиц.

Автор искренне благодарен профессору, д. г.-м. н. Дубейковскому С.Г., который его ориентировал после окончания академии на изучение инженерно-геологических условий г. Екатеринбурга и помог начать работу над диссертацией как научный руководитель. Вплоть до самой смерти, со стороны Дубейковского С. Г. постоянно ощущалось понимание, поддержка и автор получал ценные советы.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. И.В. Абатуровой. Автор благодарит коллектив научно-изыскательского центра «СтройГеоСреда» во главе с директором академиком МАНЭБ В.П. Семакиным и коллектив ООО «ГИНГЕО», а также профессорско-преподавательский состав кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии УГГУ, во главе с заведующим д. г.-м. н. О.Н. Грязновым.

Автор весьма признателен своим родным и близким за искреннюю поддержку во время выполнения диссертации.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ВЫСОТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В РОССИИ И МИРЕ

1.1. Историческая справка о высотном строительстве

Небоскреб (англ. skyscraper) - очень высокое здание. В русском языке используется термин «высотное здание».

Взметнувшийся в небо высотный силуэт - не только яркая и запоминающаяся особенность архитектуры любого города, но и символ успеха, экономической мощи и уровня технологического прогресса. Поэтому во всем мире интерес к строительству высотных зданий, в том числе жилых и многофункциональных комплексов, не ослабевает. В городах Нью-Йорк, Токио, Шанхай и других высотный бум вызван экономическими, а чаще политическими причинами, так как вложенные в эти сооружения средства, как правило, не окупаются. Немалую роль здесь играют такие факторы, как амбиции, имидж и престиж. Высотное строительство в России проходит на фоне высокой стоимости земельных участков. В России, как и в Европе, и в США высотными возводят отдельные адм