City as ecosystem

NONUNIFORMITY OF SOILS IN THE FOUNDATION BED AS THE PRINCIPAL CAUSE OF DAMAGE TO BUILDINGS IN EKATERINBURG

УДК: 551.2 - 551.3
Шифр научной специальности: 26.3+85.11

Abstract

Верхняя часть земной коры Екатеринбурга характеризуется высокой степенью неоднородности слагающих ее грунтов и пород. Это обусловлено достаточно сложным геолого-тектоническим строением палеозойских пород, на которых построен город. Они представлены метаморфизованными вулканогенно-осадочными породами, вмещающими интрузии перидотитов, габбро, гранитоидов, дайки гранит-аплитов, тела серпентинитов и тальк-карбонатных пород [1]. Верхняя часть земной коры на территории Екатеринбурга нарушена большим числом трещин, разломов и трещиноватых зон [1,2]. В мезозойско-кайнозойское время в верхней части разреза палеозойских пород сформировался чехол коры выветривания, представленный рухляками (выветрелыми коренными породами очень низкой и пониженной прочности), переходящими вверх по разрезу в щебенисто-дресвянистые грунты, сапролиты и элювиальные суглинки [4,5]. Средняя мощность чехла коры выветривания на территории Екатеринбурга оценивается порядка 2,5-5,0 м [4,5], но имеются карманы выветривания глубиной более 25 м, развившиеся по реликтовым зонам деформации верхней части земной коры, тектонизированным контактам пород разного состава и генезиса. Многие из этих зон вмещают кварцевые жилы, дайки гранит-аплитов, по контактам которых часто развиваются зоны каолинизации и явления псевдокарста [3].

Неучет неоднородностей геологического строения верхней части земной коры в случае их попадания в интервалы между пробуренными при инженерно-геологических изысканиях скважинами (пропуск цели) могут привести в будущем к повреждениям инженерных сооружений вследствие их неравномерной осадки, развития в основании фундаментов явлений псевдокарста и суффозии.

В качестве примера можно привести аварийный и в настоящее время отселенный 9-этажный жилой дом № 6 на ул. Мусоргского в жилом массиве Вторчермет Екатеринбурга, который был сдан в эксплуатацию в самом начале 80-х годов XX века. Опережающая геофизика при проведении инженерно-изыскательских работ трестом УралТИСИЗ в 1979 году на площадке намеченного строительства дома не выполнялась. Изыскательские скважины были пробурены с шагом порядка 30 м. В последующее время вследствие неравномерной и аномально высокой просадки фундамента дома в центральной его части и его западной секции возникли повреждения стен (особенно северной стены) и внутренних помещений (рис.1а,б). В 2000 году на площадке расположения дома ОАО «Николай – ИнГео» были выполнены дополнительные инженерно-геологические изыскания с целью оценки причин повреждения дома. По результатам этих исследований было высказано предположение, что причиной повреждения дома могли быть неблагоприятные процессы в элювиальных грунтах (грунтах чехла коры выветривания) в основании фундамента, которые могли возникнуть вследствие их вымачивания, замораживания и последующего оттаивания в процессе строительства. В 2007- 2008 годах дом был отселен.

Рис.1а. Зоны деформации северной стены дома в центральной части дома между вторым и третьим подъездами.	Рис.1б. Зоны деформации северной стены в западной части дома.

Рис.1. Аварийный отселенный девятиэтажный дом № 6 на ул. Мусоргского в Екатеринбурге. (Фото: Гуляев А.Н., 2011 г.)

В 2010 году с целью детальной оценки геолого-тектонической обстановки на площадке дома нами были выполнены вертикальные электрозондирования (ВЭЗ) с шагом между точками зондирования 10 м, с шагом полуразносов питающей линии АВ = 2,5 м и длиной полуразносов питающей линии АВ = 30 м по двум профилям вдоль северной и южной стен дома на расстоянии от стен порядка 7-5 м, а также параметрические ВЭЗ с шагом полуразносов 1 м и длиной полуразносов питающей линии АВ 15 м на 7 пробуренных ранее изыскательских скважинах.

Кроме того, вдоль северной и южной стен дома были выполнены георадарные зондирования (Носкевич В.В, Институт геофизики УрО РАН, Мельник В.В., Замятин А.Л., Институт горного дела УрО РАН) и наблюдения методом спектральной сейсмометрии с шагом 5 м (Мельник В.В., Замятин А.Л., Институт горного дела УрО РАН).

По результатам ВЭЗ и спектральной сейсморазведки можно предположить, что под центральной частью дома и под западным его подъездом, где наблюдаются аномально сильные просадки северной стены, имеются реликтовые и, возможно, обводненные зоны деформации верхней части земной коры. На разрезах по ВЭЗ они проявляются в виде зон пониженных удельных электросопротивлений (рис. 2, 3). На разрезах спектральной сейсморазведки они проявлены в виде характерных для зон деформаций крупных V- образных элементов (рис.4, 5). На разрезах георадарных зондирований эти структуры отчетливо не проявлены (рис. 6).

Зона деформации стены                   Зона деформации стены

Рис. 2. Профиль ВЭЗ вдоль северной стены дома № 6 на ул. Мусоргского в Екатеринбурге. Разрезы: а) наблюдаемых кажущихся электросопротивлений (верхний чертеж). Лиловая линия – предполагаемая по данным ВЭЗ подошва малопрочных сильновыветрелых порфиритов; б) градиентов кажущихся сопротивлений по АВ/2 (нижний чертеж). Характеризует распределение удельных электросопротивлений. Составил: Гуляев А.Н., компьютерная обработка и графика Осипова А.Ю., Осипов В.Ю., Институт геофизики УрО РАН, 2011 г.

Рис. 3. Профиль ВЭЗ вдоль южной стены дома № 6 на ул. Мусоргского в Екатеринбурге. Разрезы: а) наблюдаемых кажущихся электросопротивлений (верхний чертеж), б) разрез градиентов кажущихся сопротивлений по полуразносам питающей линии АВ (нижний чертеж). Характеризуюет распределение в разрезе удельных электросопротивлений. Составил: Гуляев А.Н., компьютерная обработка и графика Осипова А.Ю., Осипов В.Ю., Институт геофизики УрО РАН, 2010-2011 г.г. Зона деформация стены Зона деформация стены

Признаком наличия реликтовой обводненной зоны деформации верхней части земной коры рассматриваемого участка может являться существование в прежние времена, по свидетельствам старожилов, родника восходящих подземных вод во дворе дома № 6 на ул. Мусоргского, а также относительно пониженные значения плотностей и прочности порфиритов в этой части (скв. 4), по данным инженерно-геологических изысканий, выполненных ОАО «Николай-ИнГео» в 2000 году.

Зона деформации стены                                Зона деформации стены

Н, (м)

Рис. 4. Разрез по данным спектральной сейсморазведки вдоль северной стены дома на ул. Мусоргского, 6, профиль 2. Запад слева, восток справа. Выполнили: Мельник В.В., Замятин А.Л., Институт горного дела УрО РАН, 2010 г.

Рис.5. Разрез по данным спектральной сейсморазведки вдоль южной стены дома на ул. Мусоргского, 6, профиль 3. Запад слева, восток справа Выполнили: Мельник В.В., Замятин А.Л., Институт горного дела УрО РАН, 2010 г.

Зона деформация стены                                               Зона деформация стены

Н,(м)

Н,(м) 

Рис. 6. Разрезы по данным георадарного зондирования по профилям вдоль северной (верхний чертеж, георадарный профиль 2) и вдоль южной стен (нижний чертеж, георадарный профиль 3) дома № 6 на ул. Мусоргского. Запад слева, восток справа. Составили: Мельник В.В., Замятин А.Л., Институт горного дела УрО РАН, 2010 г.

Низкоомная предполагаемая зона деформации верхней части земной коры под центральной частью дома содержит субвертикальное относительно более высокоомное и, возможно, относительно прочное тело (точки ВЭЗ 4 (северная стена) и 11 (южная стена)). Высокоомное тело имеет мощность в несколько метров и находится в интервале между скважинами 3 и 4, 7 и 9 и поэтому при инженерно-геологических изысканиях обнаружено не было. Данное тело можно предположительно отождествить с дайкой гранит-аплитов или кварцевых диоритов, залегающей в реликтовой палеозойской зоне деформации земной коры, сложенной выветрелыми относительно низкоомными малопрочными трещиноватыми породами (порфиритами) – точки ВЭЗ 3,5,6 (рис. 3, 4, 8). Такие тела имеются в верхней части земной коры на территории Екатеринбурга [1,2].

Направление вышеупомянутой низкоомной зоны, предположительно отождествляемой с реликтовой зоной деформации верхней части земной коры, и предполагаемой дайки субмеридиональное север-северо-восточное по азимуту около 30-35 градусов и в общем конкордантно с направлением миграции подземных вод в пределах рассматриваемого участка (с севера на юг).

Не исключено, что по контактам предполагаемой дайки гранит-аплитов в мезо-кайнозойское время могли развиться щели каолинизации, а затем каолинит вымывался подземными водами. В результате, вдоль контактов дайки могли развиться явления псевдокарста, согласно схеме предложенной в работе [2]. Кроме того, процесс выноса подземными водами глинистого материала (суффозия) мог активно действовать в пределах вмещающей дайку реликтовой палеозойской зоны деформации, сложенной низкоомными малопрочными трещиноватыми горными породами, превращенными в верхней части земной коры процессами выветривания в элювиальные суглинки. В результате, в зоне контакта предполагаемой дайки и в самой предполагаемой реликтовой палеозойской зоне деформации земной коры, вмещающей ее, также могли развиться явления суффозии и псевдокарста, приведшие к аномальной просадке фундамента дома на этих участках и повреждению фундамента и стен. Развитию этих процессов могло способствовать субширотное расположение дома на пути потока подземных вод, текущих в районе рассматриваемого дома с севера на юг (рис. 7).

Рис. 7. Структурно-тектоническая схема площадки расположения аварийного отселенного девятиэтажного жилого дома № 6 на ул. Мусоргского в Екатеринбурге. Составили: Гуляев А.Н., Осипова А.Ю., Институт геофизики УрО РАН, 2010-2011 гг.

Кроме того, в центральной части дома и в районе его западной секции, где наблюдаются наибольшие деформации здания, имеются выходы ливневой канализации (пульпопровод). Не исключено, что в результате повреждения труб пульпопровода могло происходить дополнительное подтопление участков грунтов под фундаментом сточными водами, что могло способствовать снижению несущей способности грунта и активизации суффозионных процессов.

Следовательно, можно заключить, что причиной деформации и повреждения девятиэтажного жилого дома № 6 на ул. Мусоргского была неравномерная и аномально высокая (с аномально большой амплитудой) осадка участков его фундамента в центральной и западной частях северной стены дома, обусловленая снижением несущей способности грунтов на участках пересечения контура дома с предполагаемой субмеридиональной обводненной реликтовой зоной деформации верхней части земной коры, в которой предположительно действовали и действуют суффозионные процессы.

Неравномерная осадка зданий, обусловленная неоднородностью грунтов в основании их фундаментов, их обводнением, снижением несущей способности и действием суффозионных процессов, по-видимому, является основной причиной повреждения домов на территории Екатеринбурга.

Если бы на площадке перед строительством дома и перед проведением инженерно-геологических изысканий были выполнены опережающие геофизические исследования, как это предусмотрено СП 11 -105 -97, частью первой, то полученная в результате их информация позволила бы в конечном итоге избежать повреждения дома путем применения своевременных инженерных мероприятий. Стоимость опережающих геофизических исследований обычно составляет порядка 2-5 % от общей стоимости инженерно-геологических изысканий, а информация, своевременно получаемая в результате их проведения, безусловно, покрывает все расходы на опережающую геофизику [3].

Поэтому в условиях неоднородного геологического строения верхней части земной коры Среднего Урала мы настоятельно рекомендуем выполнение опережающих геофизических исследований на площадках намеченного строительства перед проведением инженерно-геологических изысканий с целью выявления неоднородностей строения верхней части земной коры и последующего их изучения буровыми скважинами, шурфами. Это позволит избежать повреждения возводимых инженерных объектов и обеспечит их безопасную эксплуатацию в будущем.

References

1. Геология СССР. Т. XII, ч. 1, кн. 2. – М.: Недра, 1969. – 304 с.

2. Буданов Н.Д. Гидрогеология Урала / Н.Д. Буданов. – М.: Наука, 1964. – 304 с.

3. Гуляев А.Н., Щапов В.А., Осипова (Дёмина) А.Ю. О необходимости опережающих геофизических исследований при инженерно-изыскательских работах на Среднем Урале / А.Н. Гуляев, В.А. Щапов, А.Ю. Осипова // Стройкомплекс Среднего Урала. – 2010. – №12 [144]. – С. 69-70.

4. Гуляев А.Н. Оценка потенциальной сейсмичности территории города Екатеринбурга / А.Н. Гуляев // Горный журнал. Известия высших учебных заведений. – 2009. – № 6. – С. 91-97.

5. Гуляев А.Н., Осипова А.Ю. Сейсмичность и сейсмическое районирование Екатеринбурга / А.Н. Гуляев, А.Ю. Осипова // Архитектон: известия вузов. – Режим доступа: http://archvuz.ru/en/numbers/2011_3/01 

Citation link

Gulyaev A.N., Osipova A.Yu. Shchapov V.A. NONUNIFORMITY OF SOILS IN THE FOUNDATION BED AS THE PRINCIPAL CAUSE OF DAMAGE TO BUILDINGS IN EKATERINBURG [Online] //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2011. – №4(36). – URL: http://archvuz.ru/en/2011_4/20 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная