Архитектон: известия вузов. №2 (42) Июнь, 2013

Город как экосистема

ИЗУЧЕНИЕ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРИВОДЯЩИХ К ПОВРЕЖДЕНИЮ ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ

УДК: 550.83
Шифр научной специальности: 26.3

Аннотация

Введение

Застройка городской территории производится с учетом долговременной эксплуатации зданий, сооружений и дорог. Однако не всегда удается учесть все потенциально опасные факторы, оказывающие влияние на объекты строительства. К числу этих факторов относятся опасные экзогенные физико-геологические явления и процессы (карст, оползень, суффозия, трещиноватость, нарушение природного напряжения в массивах горных пород, деградация мерзлоты). Постоянные наблюдения за построенными сооружениями, призванные служить обеспечением безопасности их эксплуатации для людей и окружающей среды, практикуются очень редко и только для особо ответственных объектов. В результате обследованию подвергаются объекты, уже в той или иной степени аварийные, для решения их дальнейшей судьбы. Для обследования сооружений и грунтов их оснований используются (среди прочих) геофизические методы исследований. Они являются неразрушающими, быстрыми и достаточно эффективными, поэтому рекомендованы при изучении опасных геологических процессов и явлений [9]. В статье описываются практические примеры и результаты геофизического обследования поврежденных объектов в г. Берёзовском Свердловской области.

В геологическом отношении район приурочен к Березовскому золоторудному полю. Горные выработки проходят по дайкам плагиогранит-порфиров мощностью 10 – 20 метров, расположенным во вмещающих вулканогенно-осадочных породах. Дайки содержат кварцевые жилы, к которым и приурочено золотосульфидное оруденение. Городская территория частично располагается над шахтным полем Берёзовского рудоуправления и может подвергаться просадочным явлениям. Верхняя часть разреза представлена делювиальными и элювиальными суглинками, перекрытыми почвенно-растительным слоем или насыпным грунтом. В задачи исследования входили определение условий залегания скальных грунтов и характера покрывающих их рыхлых отложений и также выявление возможных причин экзогенных изменений, приведших к повреждению городских объектов.

Методика исследования

К основным инженерно-геофизическим методам исследований следует отнести малоглубинную сейсморазведку и электроразведку. В качестве дополнительных методов для решения некоторых специфических задач применяют магниторазведку, гравиразведку и радиометрию. Главным сейсморазведочным методом изучения верхней части разреза является метод преломленных волн (МПВ). При возбуждении упругих колебаний с помощью ручного тампера (кувалды) сейсморазведка МПВ позволяет получить информацию о скоростях продольных волн (Vp) в интервале глубин от 1 до 30 метров. В случае применения механических невзрывных источников глубинность исследований возрастает до 100 метров. Развитие современных технологий дало толчок новым методическим приемам получения и обработки сейсмической информации. Одно из таких направлений – многоканальный анализ поверхностных волн – Multichannel Analysis of Surface Waves – MASW) [10], широко распространенный за рубежом для изучения различных геотехнических объектов. MASW позволяет получить данные по скоростям поперечных волн (Vs). Комбинация методов МПВ и MASW с использованием стандартной (или модифицированной) системы наблюдений дает возможность изучить три упругих параметра среды: скорости продольных и поперечных волн, а также коэффициент Пуассона (µ) [3]. Все сейсморазведочные работы проводились комбинированным методом с использованием 24-канальной сейсмостанции «Синус-24МS» (ИГФ УрО РАН, Екатеринбург) [8]. Обработка сейсмических данных проведена специализированными программами по принятым типовым алгоритмам [7]. Электроразведочные работы выполнялись методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) комплектом аппаратуры ЭРА-МАКС (НПП «ЭРА», Санкт-Петербург) по стандартной методике [6]. Для интерпретации данных ВЭЗ с получением геоэлектрических разрезов использовалась программа IPI2Win (МГУ). Гравиметрические измерения проводились высокоточным гравиметром Autograv CG-5 (Scintrex, Канада) по методике, соответствующей регламентирующим инструкциям [4, 5]. По профилям съемки вычислены значения силы тяжести в редукции Буге, а также построены графики локального гравитационного поля ∆gл (с вычетом регионального фона).

Провал вблизи дорожного полотна

В начале 2012 года на обочине дороги по ул. Ленина в Березовском был замечен провал грунта с образованием воронки, на момент проведения работ диаметр воронки составлял около 4 метров, глубина до 1,5 метров (рис. 1). Геофизические исследования проведены с целью определения причин провала, дальнейшего роста и возможной его связи с горными выработками. Сейсморазведочные работы выполнены на двух профилях по обе стороны дороги по методике комбинирования МПВ и MASW. Таким образом, по каждому профилю получены конфигурация преломляющих границ и скоростные сейсмические разрезы продольных и поперечных волн, по которым были рассчитаны коэффициенты Пуассона. Кроме сейсморазведки на тех же профилях проведены гравиметрические работы. Полученные в результате сейсморазведочных работ годографы позволяют выделить основную сейсмическую преломляющую границу и два структурных горизонта. Верхний слой (от 2 до 13 м) относится к рыхлым грунтам (суглинок, насыпной грунт) с низкими сейсмическими скоростями продольных (Vp = 250–600 м/с) и поперечных волн (Vs = 150–300 м/с). Второй горизонт связан с собственно коренными (скальными) породами, скорость продольных волн в которых составляет 800 – 1500 м/с, а поперечных – 650 м/с. Сейсмические границы на полученных разрезах плавные и имеют форму депрессии, изолинии скоростей более дифференцированы, что позволяет локализовать менее выраженные элементы разреза, например дайку (рис. 2 б, в).

Рис. 1. Провал участка дороги по ул. Ленина в Берёзовском

На сейсмических разрезах зоны, характерные для разуплотненных грунтов, присутствуют только на одном профиле ПР1 (сторона дороги вблизи провала), это подтверждается и графиками локального гравитационного поля (∆g_л): так на ПР1 отрицательные аномалии ∆g_л достигают значения -0,12 мГл (рис. 2 а), в то время как на ПР2 только -0,02 мГл. Это позволяет утверждать, что юго-восточная сторона дороги (ПР2) не подвержена опасным процессам, приводящим к просадке грунта. Наиболее показательным упругим параметром для определения зон разуплотнения грунтов и идентификации подземных пустот выглядит коэффициент Пуассона (µ). Нормальные значения коэффициента Пуассона для ненарушенных грунтов составляют 0.25–0.4; значения µ<0.1 характерны для несвязанных грунтов, а кажущиеся отрицательные значения µ позволяют выделить подземные пустоты [2]. На сейсмическом разрезе коэффициента Пуассона по ПР1 можно уверенно выделить такие аномальные зоны: одна из них с µ<0 располагается в районе провала ( ПК ≈ 35 м), две другие с µ ≈ 0 находятся на расстояниях ПК 53 м и ПК 68 – 72 м от начала профиля (рис. 2 г).

Рис. 2. Результаты геофизических работ по профилю ПР1 (вблизи провала):
а) график локального поля силы тяжести (∆g_л, мГал);
б) скоростной разрез продольных волн (Vp, м/с);
в) скоростной разрез поперечных волн (Vs, м/с);
г) разрез коэффициента Пуассона (µ, отн. ед.). Жирной линией показана сейсмическая преломляющая граница

На ПК 53 м профиля ПР1 располагается канализационный люк, что позволяет связать данную аномалию µ с ливневой канализацией. Положение провала (ПК ≈ 35 м) и зоны разуплотнения грунтов в районе ПК ≈ 70 м отмечаются также отрицательными аномалиями гравитационного поля (рис. 2а). Аномальные зоны располагаются в рыхлых отложениях на глубине 5 – 8 метров, что не позволяет отождествлять их с горными выработками в дайках, и наиболее вероятно они связаны с процессами вымывания грунта водой (суффозией). Дайка на разрезе коэффициента Пуассона выделяется чуть пониженными значениями (µ = 0.3 – 0.35) по отношению к окружающим породам (µ ≈ 0.4), что свидетельствует о засыпке выработанного пространства (заглушенная выработка).

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:

• На обследованной территории зафиксированы подземные горные выработки дайки Соймановская на глубине от 9-12 до 25 метров, однако, судя по упругим свойствам среды, они являются заглушенными.
• Образование провала связано с суффозионными процессами (промоиной) в рыхлых отложениях на глубине 5–8 метров. Возможно, вблизи существуют утечки из водопроводной, отопительной или канализационной системы.
• На исследованном участке обнаружена еще одна зона разуплотнения грунтов, где может произойти просадка грунта при дальнейшем развитии суффозионных процессов. Место вероятной просадки располагается в 35 – 40 метрах от имеющегося провала.

Образование трещин на фасаде жилого дома

Работы на втором объекте обусловлены появлением трещин на фасаде 9-этажного жилого дома по ул. Гагарина (рис.3), предположительно связанных с наличием старых шахтных выработок. В пределах обследуемого участка, по данным Берёзовского рудоуправления, горные работы не велись. Сведения о более ранних (старательских) работах не сохранились. Геофизические исследования включали комбинированную сейсморазведку и электроразведку ВЭЗ. Разведочные профили пройдены в 5 метрах от стен дома с обеих сторон. По сейсмическим данным, выделяется одна основная преломляющая граница. Верхний слой (от 1 до 3 м) относится к рыхлым грунтам (суглинок, насыпной грунт) с низкими сейсмическими скоростями продольных волн (Vp = 200–600 м/с). Второй горизонт связан с собственно коренными (скальными) породами и их корой выветривания, скорость продольных волн в которых составляет от 1000 до 3000 м/с (рис. 4 б).

Рис. 3. Серия протяженных трещин, прослеживаемых до 4 этажа, на 9-этажном жилом доме по ул. Гагарина в Берёзовском

Сейсмическая граница на полученных разрезах носит плавный характер, с заметным погружением в южном направлении. По изолиниям скоростей можно локализовать участки скальных грунтов основания и менее прочных грунтов коры выветривания. Довольно уверенно выделяется уступ прочных скальных пород в центре участка по высоким скоростям продольных волн. Аномалии, характерные для пустотного пространства, не наблюдаются. Основная особенность сейсмического разреза – резкое снижение скоростей в южной части участка, что можно объяснить более глубоким залеганием коренных пород и увеличенной мощностью их коры выветривания. Это подтверждается результатами вертикального электрического зондирования (рис. 4 а). На геоэлектрическом разрезе выделяются несколько слоев с разными удельными электрическими сопротивлениями – УЭС (значения УЭС указаны в овалах). На севере имеет место 3-слойное строение разреза, на юге – 4-слойное. Нижний слой УЭС, связанный с основанием разреза, начинается в северной части участка на глубине 5 метров, на юге же он залегает на глубине 9 – 11 метров. Таким образом, подтверждается разноярусное геологическое строение участка.

Рис. 4. Результаты геофизических работ вдоль западной стены дома по ул Гагарина:
а) геоэлектрический разрез ВЭЗ (в овалах указаны удельные электрические сопротивления слоев в Ом-м);
б) сейсмический скоростной разрез продольных волн (Vp, м/с);
в) разрез коэффициента Пуассона (µ, отн. ед.). Жирной линией на рисунках (б) и (в) показана сейсмическая преломляющая граница

На государственной геологической карте масштаба 1: 200 000 (ГСП-200) на участке выделен тектонический контакт магматических пород разного состава: основных пород (габбро, долеритов – νβO1-2 pś) на юге и измененных ультраосновных пород (серпентиниты, тальк-карбонатные породы – Σ O1-2) на севере. Все указывает на то, что центральная часть профилей (ПК 50 – 60 м) попадает на этот контакт пород разного состава, осложненного разломом. Урал является сейсмически спокойным регионом, но в зонах тектонических швов (разломов) возможна активизация микросмещений за счет внешнего воздействия (вблизи строительных площадок, железных и автомобильных дорог). Другой причиной возникновения трещин в доме может служить различие физико-механических свойств грунтов по разные стороны от тектонического контакта, приводящее к просадочным явлениям. На геоэлектрическом разрезе (рис. 4 а) выделяется аномально низкоомная зона УЭС (3 Ом-м) именно в районе трещинообразования. Это может быть связано с утечками воды из систем водоснабжения и канализации, приводящими к высокой влагонасыщенности и, как следствие, – к повышенной пластичности грунтов. Последнее предположение подтверждается жилищной организацией, по сведениям которой, в подвале дома долгое время функционировала прачечная. Подтопление грунтов под фундаментом здания могло способствовать снижению несущей способности грунта и активизации суффозионных процессов. Вследствие этого произошла неравномерная осадка фундамента здания, приведшая к образованию трещин. По свидетельству наших коллег, активная циркуляция подземных вод в сочетании с суровым климатом является основной причиной возникновения суффозионных процессов под фундаментами, приводящих к повреждениям зданий на Урале [1]. Показательным примером является аварийный и в настоящее время отселенный девятиэтажный жилой дом по ул. Мусоргского в Екатеринбурге. За счет неоднородности и обводненности грунтов в основании произошла неравномерная и аномально высокая просадка фундамента, приведшая к деформации здания с повреждением стен и внутренних помещений. В нашем случае позитивным фактором является то, что на разрезе коэффициента Пуассона (рис. 4 в) ничто не указывает на процессы разуплотнения грунтов, могущих привести к дальнейшим значительным деформациям.

Заключение

Результаты представленных и ранее проведенных исследований в пределах городской черты Берёзовского позволяют сделать вывод о высокой эффективности геофизических работ при изучении опасных геологических процессов на застроенных территориях. Основным методом по выявлению подземных пустот, образовавшихся за счет горных работ или в результате действия суффозионных процессов, следует признать комбинированную сейсморазведку. Поведение коэффициента Пуассона, рассчитанного по скоростям продольных и поперечных сейсмических волн, выражается в появлении контрастных аномалий пониженных значений в районе местоположения пустотного пространства и зон разуплотнения грунтов на фоне относительно однородного распределения μ в окружающих породах. Это позволяет утверждать, что один из наиболее подходящих параметров выделения опасных для застройки участков – коэффициент Пуассона. Электроразведка помогает в структурном и литологическом расчленении грунтов по электрическим свойствам, она также позволяет выделять обводненные зоны. Комплексирование сейсморазведки, электроразведки и гравиметрии позволяет получить расширенные данные о физических свойствах грунтов, что, в частности, дает возможность определить, чем заполнена пустота: воздухом, водой, глиной или другим грунтом.

Библиография

1. Гуляев, А.Н. Неоднородность грунтов в основании фундаментов как основная причина повреждений зданий в Екатеринбурге / А.Н. Гуляев, А.Ю. Осипова, В.А. Щапов // Архитектон: известия вузов.– 2011. – № 36. – URL: http://archvuz.ru/2011_4/20

2. Давыдов, В.А. Применение малоглубинной сейсморазведки для изучения подработанных территорий / В.А. Давыдов // Горный журнал: известия вузов. – 2010. – № 4. – С. 111– 116.

3. Давыдов, В.А. Повышение эффективности геофизических методов при малоглубинных исследованиях: автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук / В.А. Давыдов. – Екатеринбург: ИРА УТК, 2012. – 24 с.

4. Инструкция по гравиразведке. – М.: Недра, 1980. – 80 с.

5. Инструкция по топографо-геодезическому и навигационному обеспечению геологоразведочных работ. – Новосибирск: СНИИГГиМС, 1997. – 106 с.

6. Инструкция по электроразведке / М-во геологии СССР. – Л.: Недра, 1984. – 352 с.

7. Интерпретация данных сейсморазведки: справочник / Под ред. О.А. Потапова. – М.: Недра, 1990. – 448 с.

8. Сейсмическая станция «Синус-24М». Руководство пользователя. – Екатеринбург: ИГФ УрО РАН, 2004. – 17 с.

9. СНиП 22-01-95: Геофизика опасных природных воздействий. – М.: Минстрой России, 1996.

10. Park, C.B. Multichannel analysis of surface waves / C.B. Park, R.D. Miller, J. Xia // Geophysics.– 1999. – V. 64. – N 3. – P. 800–808.

Ссылка для цитирования статьи

Давыдов В.А. ИЗУЧЕНИЕ ОПАСНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРИВОДЯЩИХ К ПОВРЕЖДЕНИЮ ОБЪЕКТОВ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ [Электронный ресурс] /В.А.  Давыдов //Архитектон: известия вузов. – 2013. – №2(42). – URL: http://archvuz.ru/2013_2/19 

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