Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН
Оползневое деформирование инженерных объектов.
Г.П. Постоев, Б.К. Лапочкин, А.И. Казеев // журнал «Строительный инжиниринг», №10, октябрь 2007 г. Читать…
!!! При КОПИРОВАНИИ материалов статей — НЕОБХОДИМО ИСПОЛЬЗОВАТЬ библиографические ССЫЛКИ на Статьи !!!
Многочисленные случаи деформирования инженерных объектов на склоновых территориях вызывают повышенный интерес к оползневой проблеме, к выявлению природы и причины возникновения деформаций в грунтовом массиве. Это обусловлено тем, что оползневые процессы наносят осваиваемым территориям огромный экономический, социальный и экологический ущерб, несопоставимый со средствами, затрачиваемыми на защитные мероприятия.
Грунтовая толща на склоновых участках (особенно ее приповерхностные слои) испытывает деформации и без активного развития оползневого процесса. Это связано с целым рядом факторов:
— промерзанием и оттаиванием верхних горизонтов массива в зимне-весенний период;
— обводнением и высыханием их в теплое летнее время;
— с силовым воздействием на грунтовый скелет подземных вод;
— с изменением напряженного состояния в массиве вследствие увеличения-уменьшения веса грунтов при их увлажнении-высыхании;
— с проявлением взвешивающего эффекта грунтовых вод;
— с влиянием локальных подвижек, проявлений отдельных трещин и техногенных изменений рельефа.
Перечисленные факторы могут вызывать деформирование приповерхностного слоя в сторону падения склона. Это деформирование может происходить в виде весьма медленной ползучести (известно явление «вековой ползучести») с возможными активизациями при аномальных воздействиях факторов.
Возникновение оползня обусловлено нарушением равновесия массива и деформированием грунтового массива на качественно ином уровне. Под оползневым процессом понимается нарушение равновесия грунтового массива, его деформирование под воздействием неуравновешенных сил, отделение части массива трещиной растяжения (потенциальной или действительной «стенкой срыва») и движение образовавшегося оползневого тела по поверхности скольжения без потери контакта с несмещаемым ложем.
По характеру нарушения равновесия грунтового массива, особенностям деформирования, которые в значительной степени определяются преобладающим силовым воздействием и механизмом развития процесса, оползни, возникающие на платформенных урбанизированных территориях, можно подразделить на три основных типа [1]:
— блоковые, фронтальные оползни сжатия-выдавливания (преобладающий механизм развития деформаций при формировании оползня – гравитационное сжатие деформирующегося горизонта под весом покрывающих пластов массива);
— оползни сдвига-скольжения (преобладающая схема формирования и развития деформаций в массиве – сдвиг (срез) покровных масс по наклонной кровле коренных пород, по плоскостям напластования, по слабым прослоям, соскальзывание неуравновешенных грунтовых масс с крутых уступов;
— оползни разжижения-течения; здесь оползнеобразующим фактором является силовое воздействие подземных вод, вызывающее увеличение порового давления в грунтах с частичным или полным их разжижением и смещение водо-насыщенных грунтовых масс вниз по склону.
Тип оползня и механизм развития деформаций грунтового массива является определяющим фактором в оценке состояния исследуемой территории, в определении степени оползневой опасности для инженерного объекта, в проектировании и осуществлении комплекса мероприятий по стабилизации устойчивого состояния склона и предотвращения развития оползневых деформаций.
Нередки случаи одновременного действия нескольких механизмов деформирования грунтов. Образовавшиеся при этом оползни иногда называют сложными или комбинированными. Однако и в таких проявлениях оползней возможно выявление преобладающего механизма нарушения равновесия массива и формирования оползня, определяющего основные закономерности развития оползневого процесса на рассматриваемом участке.
Среди перечисленных выше типов оползней наиболее сложным, как по механизму, так и в части организации эффективной защиты, являются оползни сжатия-выдавливания.
Формирование оползня происходит по схеме сжатия, раздавливания. Начальные деформации массива еще в допредельном деформировании (до образования в массиве поверхности скольжения) происходят в виде преимущественной осадки. Под весом покрывающих пластов сжимающее (бытовое) давление может превысить прочность грунта в нижележащих слоях и, как следствие, в соответствующем слое возникает горизонтальное распорное давление. В сечениях, находящихся вблизи динамичного склона, периодически происходит разгрузка напряжений, и неуравновешенное распорное боковое давление вызывает горизонтальные (поперечные) деформации грунта в сторону склона в виде выдавливания и вертикальное оседание грунтового массива. При этом, над деформирующемся слоем в покрывающей толще формируются площадки сдвига, которые затем преобразуются в крутую криволинейную поверхность скольжения, по которой от коренного массива отделяется и оседает оползневой блок.
Блоковые, фронтальные оползни сжатия-выдавливания получили наиболее широкое распространение на платформенных территориях. На высоких берегах р. Москвы в границах города выявлено 15 участков с проявлением оползней этого типа. Один из них находится у левого берега р. Москвы между Карамышевским и Хорошевским спрямлениями. Участок представляет собой древний оползневой цирк дугообразной формы, образовавшийся по-видимому вследствие подмыва берега р. Москвы и развития глубоких блоковых оползней. К оползневому участку вплотную примыкает коттеджный поселок «Годуново», ниже по течению находится памятник культовой архитектуры XVI в. – Храм Животворящей Троицы в Хорошево. Протяженность оползневого цирка около 1400 м, ширина — до 120 м, высота склона — 29 м. Участок плато, примыкающего к площадке изучения оползня, обрывается 19-ти метровым уступом крутизной до 50º и более.
В геологическом строении участка (в его нижней части) принимают участие песчано-глинистые образования верхней юры, подстилаемые карбонатными породами каменноугольного возраста. Верхнюю часть толщи юры слагают глинистые пески, местами супеси (пластичные и текучие).
На юрских образованиях залегает комплекс четвертичных отложений, характеризующийся значительной пестротой состава, увлажненности и физико-механических свойств.
Гидрогеологические условия характеризуются наличием совмещенного четвертично-волжского безнапорного водоносного горизонта (вскрыт на альтитудах 125,7-134,8 м), распространенного повсеместно. Горизонт дренируется р. Москвой, частично – в нижней части склона. Кроме того в подошве слоя отложений волжского яруса распространен напорный водоносный горизонт (напор – до 13, 0 м).
В пределах оползневого цирка еще в 40-х годах 19 века имело место событие с катастрофическим развитием оползня в виде отделения от плато и перемещения крупного оползневого блока, вызвавшего разрушение строений деревни Хорошево.
В августе 2006 г. вновь зафиксировано активное развитие деформаций, обусловивших появление трещин на территории Храма и комплекса двухэтажных зданий. В верхней части склона образовался новый оползневой блок длиной около 280 м и шириной до 12 м. Общая протяженность участка активизации оползневого процесса составила около 330 м.
Исследования показали, что на данном участке произошла активизация оползневого процесса в старом оползневом цирке Хорошево-1 в виде основного (катастрофического) смещения глубокого оползня с образованием и оседанием нового блока, с выходом крутой криволинейной поверхности скольжения нового блока на глубокую унаследованную почти горизонтальную поверхность смещения под старым оползневым телом.
Инструментально было определено местоположение поверхности скольжения (в юрских глинах, вблизи кровли слоя оксфордского яруса) – рис. 1. При этом глубина захвата грунтового массива оползневыми деформациями составила около 31 м.
Высота надоползневого уступа на момент активизации оползневого процесса достигла критического значения – Нкр.
Следовательно участок был полностью «подготовлен» к нарушению устойчивости надоползневого уступа и активизации оползневого процесса. Спусковым крючком активизации послужили строительные работы, выполняемые рядом (на ул. Карамышевский проезд): строительство траншеи глубиной до 7 м для укладки коммуникаций в июне-июле 2006 г. Траншея вызвала перераспределение потока грунтовых и сточных вод, направив их через соседствующий древний эрозионный врез (углубление по центру участка) в массив надоползневого уступа и тело существующего оползня.
К маю 2007 г. амплитуда перемещения по трещине, образовавшейся на территории жилых зданий и Храма составила более 3 м.
По решению Правительства Москвы проведены инженерные изыскания, мониторинг оползневого процесса и в настоящее время осуществляются дорогостоящие защитные мероприятия.
Другим примером развития оползня сжатия-выдавливания в покровных грунтах являются деформации откоса, примыкающего к территории здания и высотного комплекса и родильного дома № 3 (западный округ г. Москвы, ул. Нежинская, вл. 3). Объект (строительная площадка) располагается на правом берегу р. Сетунь, между ул. Нежинская и бровкой берегового откоса. Верхняя площадка до бровки откоса — территория родильного дома. Альтитуды прибровочной полосы 150-151 м, основания откоса – 144,4 м.
Оползневые деформации возникли на откосе, образованном подрезкой склона строительной площадки, на протяжении около 50 м. Изначально на месте строительной площадки был пологий залесенный склон (рис. 2). Можно предположить, что подготовка оползневых деформаций началась при строительстве котлована под здание. Однако активизация деформирования грунтового массива откоса началась после новой подрезки откоса при необходимости расширения площадки и ее углубления вблизи откоса при сооружении фундамента здания.
В результате деформирования на территории родильного дома (рис. 2) образовалась опущенная трещина растяжения (трещина отрыва) оползневого массива. Оползающий откос деформирует трубчатую подпорную стенку. В настоящее время, откос, судя по трещинам, оседает и перемещается поступательно на подпорную стенку.
Инженерно-геологические особенности строения оползневого массива и физико-механические свойства грунтов, слагающих массив, позволили выявить причину активизации оползневого процесса. Дело в том, что структурная прочность грунта — σ стр. = 27,2 кПа. В нашем случае, при высоте откоса h = 7 м бытовое давление (ρh) на глубине 7 м составляет 122,5 кПа, то есть давление на грунт в несколько раз превышает его прочность. Естественно, при подрезке откоса, когда высота подрезки составила 5 м и более, начались боковые (горизонтальные) деформации грунта под запредельной сжимающей нагрузкой и оседание откоса.
В соответствии с характером деформаций, формированием трещины отрыва, в откосе образовалась криволинейная поверхность скольжения (рис. 2), по которой началось оседание грунтового массива откоса, и его перемещение к уровню подрезки. Перемещение откоса вызвало разгрузку горизонтальных напряжений в грунтовом массиве прибровочной части плато и развитие деформаций вглубь территории родильного дома и стен здания, расположенного у подошвы откоса.
Для защиты строительной площадки и родильного дома были осуществлены превентивные мероприятия по укреплению деформирующихся насыпных грунтов методом «Геокомпозит» и запроектировано сооружение шпунтовой подпорной стенки в нижней части откоса.
Оползень сдвига-скольжения образовался в 70-х годах прошлого века в г. Москве на Воробъевых горах у станции метро Ленинские (Воробьевы) горы на крутой верхней части склона, вблизи его бровки. Перемещение покровных масс по откосу надоползневого уступа глубокого блокового оползня вызвало разрушительные деформации эскалаторной галереи станции метро и прекращение ее эксплуатации.
Типичным примером развития оползня разжижения-течения являются деформации откоса, сложенного насыпными грунтами рекреационной территории береговой зоны (поймы) р. Раменки, русло которой в первозданном виде сильно меандрировало и потому было существенно спрямлено путем засыпки склона долины техногенными грунтами в ходе подготовки строительства элитного жилого комплекса «Золотые ключи» (г. Москва, ул. Минская).
Инженерно-геоэкологические изыскания, проведенные здесь, показали, что мощность техногенных грунтов различного состава и консистенции, а также строительного мусора составила в отдельных местах 7-8 м. Техногенные грунты подстилаются современными аллювиальными отложениями: супесями пылеватыми, с прослоями пылеватого песка, пластичными и текучими; супесями пылеватыми, твердыми; суглинками пылеватыми, мягкопластичными с прослоями текучепластичных. Ниже залегает комплекс флювиогляциальных образований мощностью 5-10 м . Еще ниже – песчано-глинистые отложения волжского яруса верхней юры.
На исследуемой территории развит надъюрский водоносный горизонт с глубиной залегания, изменяющейся в пределах от 1,8 до 8,0 м. Водовмещающими породами служат современные аллювиальные и надъюрские флювиогляциальные песчано-глинистые отложения. Водоупор – глинистые образования волжского яруса верхней юры.
В качестве превентивной меры (предотвращение возможного возникновения и развития оползневых процессов) в пределах указанной территории был выполнен комплекс укрепительных работ методом «Геокомпозит» (инъектирование в грунт дозированных объемов песчано-цементного раствора по специально рассчитанной объемно-планировочной схеме).
Укрепительные работы на глубину 5-10 м производилось поздней осенью (ноябрь), после завершения всех земляных работ. Мощность укрепляемой зоны на разных участках откоса устанавливалась с учетом конкретных грунтовых условий, проектных профилей откосов и расчетного (или прогнозируемого) расположения плоскостей скольжения.
Весной, в результате несанкционированной подрезки склона на участке над прудом, произошло оползание грунта.
Для выявления причин, обусловивших развитие оползня и обоснования вида и объемов повторных укрепительных работ, на оползневом участке был выполнен комплекс дополнительных инженерно-геологических изысканий, включающих бурение изыскательских скважин и выполнено электродинамическое зондирование.
Анализ результатов изыскательских работ показал, что естественные грунты текучепластичной консистенции вскрыты на глубине от 1,5-2 до 3,5-4 м.
По данным электродинамического зондирования грунты характеризуются следующими значениями физико-механических свойств: супесь: Е = 4-6 МПа, j = 5-110, С = 10-16 кПа; суглинок Е = 1,5-9 МПа, j = 3-100, С = 7-30 кПа.
Кроме того было установлено, что на участке проявления оползневых деформаций развита верховодка, интенсивно подпитываемая утечками из расположенной выше по склону ливневой канализации. Эти воды обильно высачиваются в основании склона и вскрыты буровыми скважинами на разных глубинах от поверхности. Было установлено также, что на этом участке еще до проведения строительных работ имела место разгрузка грунтовых вод и развитие локального оползня разжижения (течения). В дальнейшем при проведении террасирования откоса и планировочных работ оползневой очаг и источники были засыпаны техногенным грунтом.
Последнее обстоятельство вызвало подпор грунтовых вод и, как следствие, аномальное водонасыщение грунтов, увеличение порового давления и снижение эффективных напряжений (эффект разжижения). Кроме того отсыпка грунта на головную часть старого оползня значительно увеличила сдвигающие силы и также способствовала активизации оползневых деформаций.
В дополнение к вышеизложенному отметим, что нарушению устойчивости склона, как было указано выше, способствовала также его подрезка при укреплении габионами берега (рис. 3) и строительство автодороги вдоль набережной. Последнее сопровождалось воздействием тяжелой техники в условиях избыточной увлажненности грунтов и активного состояния оползневого массива.
Дополнительное укрепление оползневого массива методом «Геокомпозит», дренирование грунтовых вод посредством горизонтальных скважин и сооружение подпорной стенки (ростверка) с контрфорсным упором позволили устранить деформации и обеспечить устойчивость склона.
Иногда возникает аварийная ситуация, связанная с проявлением неравномерной осадки зданий, расположенных на пологом склоне. Однако причиной деформирования грунтового основания зданий, как показывают исследования, могут быть процессы, предшествующие нарушению устойчивости грунтового массива и развитию оползневых смещений.
В Юго-Западном Административном округе по адресу: Северное Бутово, мкр. 9, корп. 4 и 5, исследовалась ситуация, сложившаяся на участке двух 24-х этажных корпусов, расположенных на пологом склоне с отметками (в районе корп. 2) 176,0-179,0 м и 167,0 м (рис. 4). Средний угол склона около 30. Ниже рассматриваемого участка, в 50…60 м, происходит разгрузка грунтовых вод. Это место покрыто кустарником с мочажинами и прудами (возможно локальное проявление оползней разжижения).
Корпуса здания воздвигнуты на фундаментной плите толщиной 1,2 м и шириной 22 м. Основание плиты находится на отметке 168,2 м (на глубине около 2 м от поверхности). По данным инструментальных измерений в течение около 2-х лет (2004-2006 гг.) происходит неравномерная осадка корпусов с преобладающим проседанием низовых сторон, т. е образуется уклон корпусов в сторону склона. Причем скорость оседания низовых частей корпусов превышает средние значения скорости оседания практически в два раза.
В период зафиксированных неравномерных осадок (2004 г) были выполнены работы по укреплению грунтов основания инъекциями цементного раствора под давлением (метод «Геокомпозит») до глубины 4-5 м. Однако в 2005 г. развитие неравномерных осадок продолжилось. В конце 2005 г. были выполнены повторные укрепительные работы по контуру низовой стены до глубины 7,5 м.
В результате неравномерных осадок на стенах корпусов образовались трещины, прослеживающиеся местами до 10-го этажа и выше.
Согласно данным инженерно-геологических исследований, проявлений оползневых деформаций в районе площадки строительства не обнаружено.
Рассмотрим возможные причины развития деформаций.
В геологическом строении грунтового основания под плитой фундамента (альтитуда 168,2 м) принимают участие суглинки мощностью по верховому контуру — 1,2…1,8 м, в средней части и у низового контура 4,5-6,0 м. При этом подошва слоя суглинков у низового контура на 3 м ниже, чем подошва у верхового контура. Кроме того, вблизи сечения низового контура здания на глубинах 8…9 м вскрыт слой пластичной супеси мощностью до 1,5 м, склонной к деформации при изменении напряженного состояния. В связи с эти осадка может быть больше у низового контура фундамента.
Характер деформаций здания не свидетельствует об оползневом генезисе процесса деформирования. Для последнего было бы более характерно преимущественное оседание верховой стороны здания, т. е. одновременные процессы оседания и горизонтального перемещения с некоторым запрокидыванием.
Однако следует учесть, что в течение продолжительного времени происходили разгрузки грунтовых вод и образование оползней разжижения, которые могли способствовать ослаблению напряженного состояния грунтового массива выше по склону, на площадке строительства и, как следствие, повышению деформируемости грунтового основания.
Известно [2], что в механике грунтов осадку фундаментов S, в том числе неравномерную, представляют в виде суммы следующих составляющих:
S = S1 + S2 + S3 + S4 ,
где S1 – осадка уплотнения; S2 – осадка разуплотнения; S3 – осадка рас структурирования; S4 – осадка неупругого деформирования (вследствие сдвигов).
Осадка от уплотнения грунта происходит при напряжениях сжатия поверхностных тугопластичных суглинков, превышающих структурную прочность грунта.
Структурная прочность флювиогляциального суглинка (структурная прочность грунта на одноосное сжатие), определяемая по формуле:
σстр.=2С·tg(45+φ/2), при С = 27 кПа и φ = 190, составляет σ стр. = 75,7 кПа.
Структурная прочность другой разновидности суглинка под плитой σ стр. = 131,4 кПа (при С = 46 кПа и φ = 200 ).Обе разновидности суглинка находятся на горизонтах, где суммарные напряжения от бытового давления и нагрузки от здания значительно превышают структурную прочность, т. е. в зоне уплотнения.
Выше указывалось на присутствие в разрезе слоя пластичной супеси. Он может обусловить возможность проявления неравномерной осадки. На этот факт указывает то обстоятельство, что деформации фундамента начались с ростом этажности здания (с 3-го этажа и выше), т. е. когда напряжения в грунтах под фундаментной плитой превысили структурную прочность и началось дополнительное уплотнение грунтов, особенно суглинков, слагающих верхнюю часть разреза.
Однако жесткая фундаментная плита конструктивно предназначена для перераспределения контактного давления на поверхность грунтового основания и соответственно для выравнивания подобного рода осадки.
Кроме того по низовому контуру фундаментов до отметок 160,5…160,8 м было произведено усилению грунтов инъектированием цементного раствора. Это должно было исключить неравномерную осадку. Однако, как было установлено, неравномерность осадки проявилась и после выполнения укрепительных работ.
Следовательно, неравномерность уплотнения грунтов основания по всей вероятности — не основная причина деформации здания.
Осадка от разуплотнения обычно связана с выемкой грунта при строительстве котлована под фундамент здания. При этом разуплотняется грунт в придонной части котлована в силу изменения напряженного состояния.
Однако, следует принять во внимание, что глубина котлована была незначительной и потому возможная относительная неравномерность разуплотнения практически полностью компенсируется при сооружении фундаментной плиты.
Осадка расструктурирования обычно возникает при нарушении естественной структуры грунта вызываемой работой тяжелых механизмов. Но, как указывалось выше, котлован был неглубокий, а укрепительные работы путем инъектирования песчано-цементного раствора создали геокомпозит – техногенный грунт более плотного сложения, армированный фрагментами цементного камня. Так что и эта составляющая неравномерной осадки также не является причиной деформации грунтового основания.
И, наконец, неравномерные осадки неупругого деформирования вследствие местных сдвигов, или осадки выпирания в общем случае можно представить, как осадки обусловленные изменением напряженного состояния грунтового основания.
Упругие деформации в грунте начинаются, когда сжимающие напряжения превысят структурную прочность. При этом происходит лавинное разрушение структурных связей, пластичное деформирование. Состояние грунта становится зависимым от условий по ограничению бокового расширения или соответственно от величины бокового давления. При свободном боковом расширении быстро наступает разрушение грунта.
При проходке горных выработок в пределах зоны влияния нагрузки от здания на напряженно-деформированное состояние грунтового массива, может измениться напряженное состояние по границам несущего столба основания и соответственно повлиять на деформируемость слагающих его грунтов.
Следует отметить, что в непосредственной близости от зданий сооружалась траншея глубиной 5-6 м (рис. 4), ниже по склону в соответствующие траншеи уложен комплекс коммуникаций (водопровод, канализация, силовые и телефонные кабели и пр.). Часть коммуникаций была проложена под зданиями (в шахтах, пройденных методом прокалывания). Неподалеку от зданий был сооружен котлован под здание трансформаторного поста. И это далеко не полный перечень земляных работ, выполненных ниже по склону.
Анализ ситуации показал, что основными причинами возникновения и развития неравномерной осадки фундаментной плиты здания являлись траншеи, котлованы, шахты, которые в разное время были сооружены в низовой зоне зданий. Произведенные выемки грунта вызвали изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива в зоне влияния зданий. Расчеты показывают, что при ширине фундаментной плиты 20 м ширина зоны «влияния» (зоны возможного выпора) может достигать 60…70 м.
Таким образом, любое строительство на склоновой территории требует тщательного анализа оползневой обстановки, оценки оползневой опасности с возможным развитием деформаций на допредельном этапе (по аналогии с Северным Бутово) или проявлением оползня определенного типа, закономерности образования и развитие которого необходимо учитывать в конструкциях проектируемых сооружений и защитных мероприятиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Постоев Г. П. Классификация оползней по механизму нарушения равновесия массива пород // Изучение режима экзогенных геологических процессов в районах интенсивного хозяйственного освоения. – М.: ВСЕГИНГЕО, 1988. С. 52-64.
2. Далматов Б. И. Механика грунтов, основания и фундаменты. Л. Стройиздат. 1988. 415 с.
Наши услуги
Фотогалерея
Наши Партнёры
