Применение спектральной сейсморазведки для решения задач инженерной геологии

Испокон веков осуществление разного рода строительных работ основывается на стратегических, экономических, эстетических принципах, но так сложилось, что до сих пор никогда не учитывались геологические моменты. Это происходило из-за слабой изученности механизмов влияния строения земной толщи на надежность инженерных сооружений. Строго говоря, инженерно-геологические изыскания производятся, но если учесть, что результаты их практически никогда не влияют на решения, принятые до проведения изысканий, нельзя не признать, что производятся они чисто формально.

Известен тезис строителей о том, что строить можно везде. Если строительная площадка пересекается речкой или ручьем – их засыпают, если она приходится на заболоченную местность – снимают торф, осуществляют подсыпку, забивают сваи, и задачу подготовки площади под строительство считают решенной.

Однако давно замечено, что затем, когда инженерное сооружение уже построено, а иногда, и в период строительства, в этих зонах возникают осложнения. Причем осложнения такого рода, как если бы грунт в этих зонах имел пониженную несущую способность или, иначе говоря, повышенную податливость. В домах развиваются трещины, автомобильные дороги и железнодорожные пути в этих зонах требуют более частого ремонта и характеризуются повышенной аварийностью проходящего по ним транспорта, увеличивается аварийность трубопроводов.

Тем не менее, строительная наука не учитывает влияние описанных зон на надежность сооружения, и поэтому, невзирая на имеющиеся прецеденты (давно уже сложившийся опыт), при строительстве эти моменты игнорируются.

Дело в том, что строительная наука предписывает относиться к грунту как к среде, обладающей упругими свойствами. Это позволяет считать, что слои осадочных пород под воздействием инженерных сооружений прогибаются. Естественно, что прогиб будет тем меньше, чем больше мощность (толщина) слоя. При этом расчеты и результаты лабораторного моделирования показывают, что для средних размеров сооружения при мощностях породных слоев, превышающих 10 – 15 м прогиб ничтожен настолько, что им можно пренебречь. Или, иначе говоря, на глубинах, превышающих 10 – 15 м, влияние со стороны инженерного сооружения на породы настолько мало, что его можно не учитывать.

Как следствие такого подхода, внимание при строительстве уделяется лишь приповерхностному породному слою (грунту), и если прочность его считается достаточной, то никаких ограничений на строительные работы уже быть не может. При недостаточной прочности породы приповерхностного слоя укрепляются сваями, что также должно способствовать повышению надежности возводимого сооружения.

Отношение к осадочным породам как к упругой среде имеет еще одно следствие. Наличие в земной толще какой-либо неоднородности типа, скажем, карста, при этом условии может сказаться на надежности сооружения только в том случае, если залегает эта неоднородность на глубинах, не превышающих тех же 10 – 15 м. Естественно, что залегающие на больших глубинах тектонические нарушения в расчет приниматься уж точно не должны.

Однако специально проведенные исследования [1] показали, что горные породы вообще и грунт, в частности, теории упругости не подчиняются, и реакция на внешнее воздействие давлением такова, как если бы породы представляли собой сильно спрессованный песок. Это резко меняет отношение к принципам и основам строительной науки.

В самом деле, если породные слои под воздействием неоднородной нагрузки не прогибаются, а разрушаются, то с глубиной действие этой нагрузки не уменьшается. И, следовательно, какова бы ни была мощность осадочного чехла, наличие тектонического нарушения в кристаллическом фундаменте оказывает влияние на всю толщу осадочных пород, находящихся непосредственно над этим нарушением.

Использование в качестве исследовательского аппарата нового геофизического метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [2] показало, что влияние тектонического нарушения на всю толщу осадочных пород, находящихся непосредственно над этим нарушением, действительно имеет место. Состоит это влияние в том, что во всем породном столбе, находящемся над тектоническим нарушением, постоянно идет процесс как бы залечивания нарушения. Этот процесс представляет собой микроперемещения частиц сверху вниз. Следовательно, осадочные породы в этой зоне находятся в тиксотропном, как бы неоформленном состоянии. Они податливы и проницаемы для жидкостей и газов. Об их состоянии можно судить по тому, что при разведочном бурении в этих местах взять керн не удается.

В силу такого влияния тектонического нарушения на всю толщу осадочных пород, именно в этих зонах происходит хроническое проседание грунта, образование болот, русел рек и ручьев. То есть, засыпая русла и извлекая торф при подготовке строительных площадок, осуществляется всего лишь как бы косметический ремонт зоны, несущая способность грунта в пределах которой от этого не повышается.

Что касается наличия прочного приповерхностного породного слоя, имеющего место даже в зонах тектонических нарушений, то дело здесь в следующем. Верхняя граница породного столба, обладающего повышенной микротрещиноватостью, перемещается снизу вверх по мере увеличения мощности осадочных пород. Однако раздавливающее действие вышележащих осадочных пород на нижележащие при приближении к дневной поверхности ослабевает, и из-за недостаточного давления приповерхностный породный слой участвует в процессе залечивания тектонического нарушения очень слабо. Медленное разрушение пород в приповерхностном слое будет продолжаться до тех пор, пока в зоне тектонического нарушения не начнутся строительные работы. Воздействие со стороны строительной техники, а затем, со стороны возведенного сооружения, эквивалентно увеличению мощности осадочных пород, то есть способствует ускорению движения вверх зоны повышенной микротрещиноватости вплоть до выхода ее на поверхность.

Приближение зоны повышенной микротрещиноватости к поверхности обуславливает снижение несущей способности грунта, или, иначе говоря, увеличение его податливости, а следовательно, ускорение погружения соответствующей части сооружения в грунт.

Причиной сложившегося противоречия между строительной наукой и практикой явились следующие обстоятельства. С одной стороны, лабораторное физическое моделирование свойств горных пород, не подчиняющихся теории упругости, осуществляется на материалах, которые теории упругости подчиняются – таких как оргстекло, стекло и даже металлы, что, естественно, неправомерно. С другой стороны, до сих пор не было средств, пригодных для надежного картирования тектонических нарушений. Поэтому, изучая карсты, плывуны, погребенные русла и прочие подобные объекты, никто не догадывался о том, что объекты эти являются вторичными, поскольку своим происхождением они обязаны наличию под ними тектонических нарушений.

Положение изменилось в связи с появлением метода ССП, с помощью которого оказалось возможным исследование и картирование как тектонических нарушений, так и вторичных, относительно их, геологических объектов.

Тектонические нарушения в кристаллическом фундаменте расположены хаотически, и попадание того или иного сооружения в зоны их влияния – дело случая.

Так, например, дворец Румянцева в Петербурге (Английская наб., д.44), был построен в середине XVIII века, и первые 70 лет его эксплуатации не доставляли никаких хлопот. Пристроенный к нему в 1826 году портик попал своей северо-восточной частью в край зоны тектонического нарушения, в результате чего один его угол стал погружаться в грунт со скоростью, превышающей скорость погружения основной части здания. Для того чтобы удержать портик, его жестко связали с основным корпусом стальными стяжками и стержнями. Однако произошло обратное. Портик стал увлекать за собой здание. В результате, возникла система трещин, которая буквально разрывает здание.

Особняк Румянцева – памятник культуры, охраняемый государством, и в связи с этим, предпринимались попытки поддержания его в приемлемом состоянии. Если бы ремонтные работы были направлены на то, чтобы остановить дальнейшее погружение портика в грунт, эти попытки были бы более удачными. К сожалению, вопреки нашим рекомендациям, под портик были подведены буронабивные сваи. Это было сделано для того, чтобы создать дополнительную опору для портика. Однако применение свай в зонах тектонических нарушений не дает положительного результата. В данном случае, сваи лишь увеличили вес погружающейся в грунт части сооружения, а следовательно, оказались фактором, способствующим ускорению его погружения.

Еще в работе [3] было отмечено, что существуют зоны, в которых сваи неэффективны. Мы, по сути, только внесли ясность, обнаружив, что зоны эти – зоны тектонических нарушений. Однако применение разного рода бетонных и железобетонных опор в этих зонах оказалось узаконенным [4], и это принесет еще немало неприятностей.

Несколько слов о методах борьбы с разрушениями сооружений, которые являются следствием неравномерных осадок. Здесь как в медицине, когда идет борьба со следствиями, а не с причинами порока, результат оказывается плачевным. Общеизвестные методы – это усиление свайных полей, возведение мощных подушек из бетона и железобетона. Однако бетонные конструкции не способны изгибаться, и когда под ними уходит грунт, который является их опорой, то рано или поздно, особенно, при наличии динамических, вибрационных воздействий, они разрушаются. Так произошло на Чернобыльской АЭС, построенной, как оказалось, на разломе, того же следует ожидать и на Северо-Западной ТЭЦ, где оба машинных зала оказались построенными в зонах тектонических нарушений.

Территория Северо-Западной ТЭЦ расположена в Ольгино, на северной окраине Санкт-Петербурга, в непосредственной близости от очистных сооружений, которые находятся в постоянно аварийном состоянии с самого начала своего строительства. Обследование методом ССП показало, что разрушение очистных сооружений происходит в точном соответствии с находящимися там тектоническими нарушениями.

Очистные сооружения возводились тогда, когда метода ССП еще не было, и поэтому винить в сложившейся там ситуации никого нельзя. Что же касается ТЭЦ, то ее территорию мы обследовали еще во время строительства, то есть тогда, когда еще можно было что-то сделать. В представленном руководству ТЭЦ отчете было показано, что оба машинных зала оказались в расположении тектонических нарушений, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поскольку эта информация не была учтена, то теперь этот объект в целом представляет для нас интерес как полигон для проверки правильности сделанного нами прогноза.

Характер разрушения инженерного сооружения, попавшего в зону тектонического нарушения, зависит от многих причин. Здесь ведь получается взаимное влияние между породами в зоне тектонического нарушения и характером воздействия со стороны сооружения, и при одном и том же состоянии пород разрушение сооружения будет происходить тем быстрее, чем больше вес сооружения, а также, чем больше динамическая составляющая воздействия с его стороны. Так, корпус больницы на Крестовском о-ве, построенный еще до войны, стал резко погружаться в грунт и разрушаться только после того как в одном из помещений был установлен пресс для производства лекарственных препаратов.

Влиянию со стороны тектонических нарушений подвержены и совсем незначительные объекты. Так, например, расположенный на территории Петропавловской крепости маленький одноэтажный Ботный домик. Он был построен в 1761 году, и сколько мы его помним, практически постоянно ремонтируется, поскольку в его фундаменте и стенах постоянно развивается трещина, которая делит домик примерно пополам.

Для выяснения причины этого, в 1997 году вокруг здания было осуществлено обследование методом ССП. На рис. 1 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании в северо-западном направлении, вдоль фасадной стенки Ботного дома, в которой развивается трещина.

Приведенный на рис. 1 ССП-разрез представляет собой совокупность спектральных изображений сейсмосигналов, полученных при проведении сейсмоизмерений с шагом, равным 2 м. Каждое утолщение на вертикальной оси соответствует уровню микронарушенности пород [5]. Как видно из рисунка, участок профиля 20-32м характеризуется породами, имеющими повышенную микронарушенность, что соответствует большей податливости грунта.

Видимое на ССП-разрезе различие в уровне микронарушенности касается пород на глубинах 30-40 м, однако это является индикацией состояния пород до самой поверхности, что и подтверждается характером разрушения сооружения. Таким образом, причина появления трещины в Ботном доме – расположение здания на границе между участками с различными значениями несущей способности грунта. В результате, фундамент дома как бы работает на срез. На ССП-разрезе четко видно, что граница, по которой проходит резкое изменение несущей способности грунта, совпадает с местонахождением трещины, разделившей здание на две части.

Рис. 1

Этот случай очень простой, и меры, которые могли бы приостановить разрушение Ботного домика, очевидны. Для этого следует либо передвинуть дом на 6м в северо-западном направлении, либо подвести под дом металлические балки, способные, в отличие от хрупкого фундамента, упруго изгибаться.

К сожалению, дирекция музея "Петропавловская крепость" проигнорировала выводы, которые мы сделали в результате обследования, и Ботный домик находится, по-прежнему, в состоянии непрекращающегося ремонта.

Данный случай представляется особо интересным, так как мы имели возможность пронаблюдать, как происходит развитие процесса снижения несущей способности грунта во времени, и к каким разрушениям здания эти процессы приводят. После осуществления ССП-измерений в начале 1997 года здание Ботного домика было поставлено на капитальный ремонт. К середине 1999 года ремонт был завершен. Внешне домик выглядел как новенький. Осмотр здания в начале 2000 года показал, что начали разрушаться бетонные цоколи колонн, а в нижней части некоторых колонн появились субвертикальные трещины. В начале лета 2000 года начались работы по ремонту цоколей колонн. Осмотр, осуществленный в это время, показал, что угол расположенного в 10 метрах от Ботного домика 3-х этажного здания (Петропавловская крепость дом N 9) от фундамента до 2-го этажа пересекает трещина. Направление трещины соответствует направлению границы между зонами с различной несущей способностью грунта. Осмотр Ботного домика в декабре 2001 года показал следующее. Большинство колонн здания пронизаны субвертикальными трещинами, протянувшимися снизу на половину, а то и на 2/3 высоты колонн. С западной и восточной сторон здания на стыке стены здания с крыльцом наблюдаются тонкие трещины. Их местоположение в точности соответствует расположению мощной трещины, разделяющей здание почти пополам, наблюдавшейся в момент измерений в 1997 году. В расположенном рядом доме N 9 наблюдавшаяся ранее трещина увеличилась и пересекает здание уже от фундамента до самой крыши.

Повышенная проницаемость пород в зонах тектонических нарушений имеет своим следствием формирование подземных водотоков, а в некоторых случаях, возникновение замкнутых водонасыщенных объемов с повышенным давлением внутри. Это так называемые плывуны, весьма распространенные в Петербурге и Ленинградской области. Сами по себе, плывуны могут до поры до времени не представлять опасности для сооружений. Но если каким-то образом лишить плывун герметичности, то сооружение, находящееся над ним, немедленно начнет оседать. Такая ситуация возникла, например, на набережной Обводного канала.

На рис.2 приведен план участка набережной Обводного канала вблизи домов N.48-50. При ведении строительных работ по расширению набережной, а именно, при забивке шпунта в дно канала, произошел провал грунта в зоне, оконтуренной эллипсом, через которую проходит подземный силовой кабель метрополитена, телефонные кабели и канализационный коллектор. Кроме того, в это же время началась интенсивная осадка и разрушение дома N 48.

Рис. 2

Проведенные методом ССП пять параллельных профилей позволили выявить систему плывунов, приуроченных к зоне тектонических нарушений. На рис. 2 эта зона ограничена штриховыми линиями. При забивке шпунта плывун был потревожен, и началась миграция его содержимого. Это нарушило гидрогеологический режим всей зоны, что и создало аварийную ситуацию.

Бывает так, что зона тектонического нарушения невелика, и находится целиком под сооружением, и поэтому не может быть выявлена при оконтуривании методом ССП вокруг его фундамента. В таком случае, сделать диагностирование здания возможно только путем обследования его подвальных помещений.

Именно так пришлось поступить при диагностировании здания Биржи, что на Стрелке Васильевского острова. Здание Биржи было построено в 1810 г. Последний раз оно ремонтировалось в 1946-48 гг. В настоящий момент здание «расколото» многочисленными трещинами. Профилирование под зданием, вдоль подвалов, позволило выявить факторы, обуславливающие его разрушение.

Показанный на рис. 3а ССП-разрез, полученный при профилировании в подвале здания, содержит три основных зоны, различающихся по величине несущей способности η.

О наличии зон пониженной несущей способности обычно свидетельствуют воронкообразные объекты на ССП-разрезе. На ССП-разрезе, показанном на рис. 3а, видны не воронки целиком, а как бы их образующие.

Зоны с различной несущей способностью грунта показаны на рис. 3b. Участки 0-25 м профиля (зона I) и 39-62 м (зона III) профиля имеют несущую способность, пониженную относительно участка 25-39 м профиля (зона II).

Проведение нескольких профилей в подвалах Биржи позволило выявить конфигурацию находящейся под зданием зоны с повышенной несущей способностью.

Наличие зоны с пониженной податливостью грунта в середине сооружения приводит к возникновению раскалывающего действия на его фундамент. Совмещение этих результатов со схемой систем трещин, пересекающих здание, позволило определить причины разрушения Биржи. Небольшая глубина, на которой проявились объекты, свидетельствует о том, что разрушение Биржи идет с ускорением, и следовательно, выбор метода реставрации должен быть очень тщательным.

Относиться к зонам тектонических нарушений при попадании их в пределы строительной площадки следует как к природному объекту, свойства которого на сегодняшний день изменить нельзя, и поэтому с ними следует считаться. Категорически нельзя в этих зонах помещать несущие конструкции. Как и в случаях пересечения дорогами рек, через эти зоны должны быть перекинуты сооружения мостового типа. Мы с большим интересом ждем начала эксплуатации кольцевой автодороги вокруг Санкт-Петербурга, так как вопреки нашим рекомендациям свайное основание развязки окружной дороги с Выборгским шоссе оказалось именно в зоне мощнейшего тектонического нарушения. Не вызывает сомнений, что этот участок дороги будет находиться в постоянном ремонте.

Известны случаи, когда разрушение здания инициировалось его надстройкой всего на один этаж. С точки зрения прочностных свойств несущих конструкций это трудно объяснимо, но в том-то и дело, что разрушение здания при этом ускоряется именно за счет погружения в грунт части его фундамента, которое инициируется появлением динамического на него воздействия, возникающего при строительных работах.

Рис. 3

Дефицит пригодной для строительства площади в условиях города заставляет изыскивать способы для наиболее рационального ее использования. Ветшающие здания сносят и на их месте строят новые. Однако процесс выхода зоны микротрещиноватости осадочных пород в зоне тектонических нарушений на поверхность под воздействием инженерных сооружений необратим. Поэтому если здание пришло в непригодное для дальнейшей эксплуатации состояние под воздействием зон тектонических нарушений, то есть за счет выхода на поверхность повышенно трещиноватого грунта, то это необходимо учесть при строительстве на этом месте нового сооружения. В противном случае, новое сооружение долго не прослужит. В этом удалось убедиться, когда в Москве, в 1997 году, на углу улиц Мархлевкого и Мясницкой разрушился дом, не прослуживший и трех лет. Строго говоря, разрушился не весь дом, а только та его половина, которая оказалось на месте ранее стоявшего там дома, который разрушился, прослужив 30 лет.

Примером такого случая в Санкт-Петербурге может оказаться реконструкция здания в Волынском пер. д. 1/36, надстроенного и переоборудованного в новый Бизнес-центр. Основное здание было построено в 1912 г. совместно со зданием ДЛТ, для нужд Гвардейского экономического общества. При реконструкции, совсем недавно оно было надстроено и, кроме того, к нему была пристроена часть здания. Строительство рядом с Бизнес-центром шестиэтажного гаража вызвало развитие трещин в его стенах еще до начала полной эксплуатации здания. Профилирование методом ССП, осуществленное в подвалах и в гараже, показало наличие зон пониженной несущей способности грунта. Те зоны, которые пересекают площадь гаража, уже привели к появлению трещин в стенах здания, расположенных над ним, причем выявленные зоны с пониженной несущей способностью грунта хорошо соответствуют зонам трещиноватости на верхних этажах здания. Подвалы здания забетонированы, однако и под бетоном на ССП-разрезах четко проявляются зоны снижения несущей способности грунта.

На рис.4 показан ССП-разрез, полученный по одному из профилей, пройденных в подвале.

Рис. 4

Хорошо различимый на рисунке воронкообразный объект на участке 19-30 м профиля свидетельствует о наличии в этой зоне пониженной несущей способности грунта. В отличие от примеров, приведенных на рис.1 и 3, в данном случае повышенная микронарушенность поднялась уже практически до поверхности. И именно этим объясняется довольно быстрое развитие визуально наблюдаемых трещин в стенах здания.

Не вызывает сомнения, что расположенный рядом и начавший функционировать многоэтажный гараж, являющийся источником возникновения дополнительных динамических нагрузок, очень поспособствует ускорению разрушения здания Бизнес-центра.

Опыт проведения семинаров в проектных и строительных организациях показал, что наш тезис о влиянии глубинных геологических объектов на надежность инженерных сооружений, как правило, не воспринимается. При анализе разрушения всегда находятся причины, которые выглядят правдоподобно, а главное, не требуют привлечения глубинных геологических объектов. Как правило, это причины климатического характера, ссылки на морозы, дожди (как избыток, так и недостаток), ссылки на влияние со стороны ведущихся недалеко от разрушившегося сооружения строительных работ или нарушения технологии строительства. В Москве, кроме того, как ни странно, часто ссылаются на повышенную сейсмоактивность. Странность здесь заключается в том, что ссылки эти совершенно бездоказательны.

Для изучения причин, приводящих к разрушению таких специальных инженерных сооружений как трубопроводы, летом 2000 года был сделан 12-километровый профиль вдоль газопровода Уренгой - Новопсков (Башкирия, в 80 км от Уфы). По осредненным данным службы эксплуатации, аварии на этом участке происходили практически на каждом километре. Кроме того, были отмечены случаи, когда аварии повторялись на том же самом месте, что и в первый раз. Отметим, что уже один этот факт является свидетельством того, что аварийность обусловлена не качеством изготовления труб или качеством их монтажа, а какими-то природными факторами присущими месту, где произошла авария.

Результаты сопоставления аварийной ситуации с полученными ССП-разрезами превзошли самые смелые ожидания. Анализ этих результатов показал, что все 100% аварий были приурочены к зонам тектонических нарушений. Особо следует отметить, что нет ни одной аварии, которая бы произошла вне зоны тектоники. Тот факт, что на обследованном участке количество зон тектонических нарушений превышает количество аварий, позволяет предположить, что аварии в этих зонах еще могут произойти, по крайней мере, вероятность их появления значительна. Таким образом, исходя даже из полученных результатов можно утверждать, что осуществление ССП вдоль трасс трубопроводов позволяет выявлять потенциально аварийные участки.

Сейчас, когда стало доказанным и очевидным влияние тектонических нарушений на надежность инженерных сооружений, можно наметить следующие меры, позволяющих учесть этот фактор при осуществлении строительства:

Создать банк данных о наличии в расположении инженерных сооружений тектонических нарушений. Эта информация может быть получена с помощью метода ССП;

Завести на инженерные сооружения специальные паспорта, в которых следует указывать всяческие свидетельства о каких бы то ни было локальных разрушениях. Например, о возникновении и развитии трещин.

При проведении любых строительных работ следить, чтобы они не производились в зоне, через которую проходит тектоническое нарушение, имеющее связь с тектоническим нарушением, проходящим под рядом стоящими сооружениями;

При строительстве сооружения на месте, где существует влияние тектонического нарушения, необходимо использование специальных приемов строительства. Так, например, это может быть применение как бы мостовой схемы, предусматривающей размещение опорных частей фундамента вне зон с пониженной несущей способностью грунта [6, с.101-102]. В тех же случаях, когда несущая конструкция неизбежно должна опираться в грунт в зоне тектонического нарушения, можно применить особую конструкцию фундамента для того, чтобы иметь возможность выправлять перекос сооружения с помощью специальных домкратов [7, с.557].

Не вызывает сомнения, что рано или поздно строительные технологии начнут видоизменяться в соответствии с пониманием реальных свойств грунта, и только тогда удастся повысить надежность инженерных сооружений и свести к минимуму их аварийность.

Список литературы

Гликман А.Г. Методологические аспекты применения сейсморазведки.// Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - 1999. - N 10. - С.19-25.

Гликман А.Г., Стародубцев А.А. Еще раз о разрушении инженерных сооружений.// Жизнь и безопасность. - 1999. - N 1. - С.109-115.

Иванов Ю.К., Коновалов П.А., Магнушев Р.А., Сотников С.Н. Основания и фундаменты резервуаров. - М.: Стройиздат. - 1989.- 223 с.

Улицкий В.М. Геотехническое обоснование реконструкции зданий на слабых грунтах. - СПб: СПб гос. архит.-строит. ун-т. - 1995.- 146 с.

Гликман А.Г. О физических принципах спектральной сейсморазведки.// Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. - 1998. - N 12. - С.19-24.

Хэммонд Р. Аварии зданий и сооружений.- М.: Гос. изздательство по строительству, архитектуре и строительным материалам. - 1960.- 187 с.

Тейлор Д. Основы механики грунтов. - М.: Госстройиздат. - 1960.- 598 с.