ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОРЕННЫХ ГРУНТОВ В ПОДЗЕМНОЙ СРЕДЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Дашко Р.Э.¹, Горская В.А.²

¹Доктор геолого-минералогических наук, Санкт-Петербургский Горный университет

²Аспирант, Санкт-Петербургский Горный университет

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОРЕННЫХ ГРУНТОВ В ПОДЗЕМНОЙ СРЕДЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Аннотация

В статье рассмотрена специфика преобразования моренных отложений в разрезе подземного пространства Санкт-Петербурга. Установлено, что морены в пределах загрязненных и/или заболоченных территорий в анаэробных условиях характеризуются отсутствием цементационных связей и пластическим характером деформирования, что доказывается результатами лабораторных исследований морен в условиях трехосного сжатия. Приведены примеры проектирования и строительства многоэтажных зданий на моренных грунтах, характеризующихся микробной пораженностью и высоким уровнем загрязнения, в том числе переход зданий в аварийное и предаварийное состояние.

Ключевые слова: морены; подземное пространство; наземные сооружения; контаминация; окислительно-восстановительные условия; микроорганизмы; физико-механические свойства; квазипластичная среда; несущая способность.

Dashko R.E.¹, Gorskaya V.A.²

¹PhD in Geology and Mineralogy, St. Petersburg Mining University

²Postgraduate student, St. Petersburg Mining University,

ENGINEERING GEOLOGICAL AND ENVIRONMENTAL ASPECTS OF MORAINE SOILS TRANSFORMATION IN UNDERGROUND SPACE OF ST. PETERSBURG FOR EVALUATION OF THEIR BEARING CAPACITY

Abstract

In the article the specifics of moraine deposits transformation in profile of St. Petersburg underground space are considered. It is established that in polluted and/or boggy areas with anaerobic conditions moraines are characterized by absence of cement bonds and by plastic behavior, as evidenced by the results of moraines triaxial testing under laboratory conditions. Examples of multistory buildings design and construction on the moraine soils, characterized by microbial lesion and high level of contamination, including buildings transition to an emergency and pre-emergency state are presented.

Keywords: moraines; underground space; above-ground structures; contamination; redox conditions; microorganisms; physical-mechanical properties; quasi-plastic medium; bearing capacity.

Последние десятилетия строительство новых жилых комплексов, а также реконструкция и реставрация старинных сооружений и архитектурно-исторических памятников ведется, в основном, с использованием свайных фундаментов, несущим горизонтом для которых служит верхняя морена (осташковский горизонт). В пределах исторического центра города либо на застроенных территориях вне его применяются буронабивные сваи различных типов. Согласно нормативным документам, в том числе ТСН 50-302-2004, актуализированным 12 февраля 2016 года, в разделе 12 «Свайные фундаменты» (п. 12.2) указывается, что гляциальные (моренные) пески разной крупности средней плотности и плотные глинистые грунты (моренные, флювиогляциальные и кембрийские от твердой до тугопластичной консистенции) служат надежным несущим горизонтом для свайных фундаментов [4, С. 19]. Известно, что в пределах низкой Литориновой террасы Санкт-Петербурга с абсолютными отметками от 0 до 9,5-10,0 м осташковская морена перекрыта озерно-ледниковыми и озерно-морскими песчано-глинистыми водонасыщенными отложениями (рис.1).

Рис.1 - Схематическая геолого-литологическая карта нижней (I) и верхней (II) Литориновой террасы

Особое внимание при анализе инженерно-геологических условий и оценке несущей способности свай следует обратить на наличие погребенных торфов под техногенными образованиями, а также грунтов озерно-морского генезиса, которые содержат органику в различных количествах, оказывающую негативное влияние на подстилающие грунты и на характеристику трения по боковой поверхности свай. Значительное содержание органики в верхней части разреза предопределяет формирование анаэробных условий в подземной среде, прежде всего, в моренных отложениях. Бескислородная обстановка может существовать и в условиях прямого отсутствия аэрации моренных грунтов при залегании на них более молодых глинистых образований. Наличие торфов и грунтов, содержащих органическое вещество, способствует обогащению нижележащих слоев органикой биотического и абиотического генезиса, к биотической следует относить микроорганизмы и продукты их метаболизма, в которых содержание микробного белка может превышать 50-60%. Наиболее негативное влияние на моренные отложения оказывает непосредственное поверхностное складирование хозяйственно-бытовых отходов, в которых присутствуют органические соединения различного генезиса.

Кроме того, при формировании состояния и свойств моренных отложений и соответственно их несущей способности принципиальное значение имеет степень контаминации разреза, в первую очередь, грунтовых вод, где водоупором служит глинистая морена, в толще которой достаточно часто встречаются изолированные линзы различных по гранулометрическому составу песков, а также крупнообломочных отложений, содержащих напорные воды, с давлением до 2 атм., иногда выше. Следует отметить, что напорные воды оказывают значительное и негативное влияние на несущую способность свай при восходящем их перетекании за счет снятия трения в контактной зоне: бетон – грунт. Результаты опробования подземных вод по скважинам режимной сети, пройденным с целью исследований их состава и состояния в пределах островов исторического центра и вне его, доказывают существование восстановительных условий в обводненной толще разреза, что подтверждается замерами окислительно-восстановительного потенциала (Еh<0 mV), величина которого во многих случаях принимает отрицательные значения [2]. Необходимо также указать, что при нисходящей фильтрации контаминированных грунтовых вод может происходить загрязнение не только водоупоров, но и водоносных линз в осташковской морене, что подтверждается результатами химического анализа на строительной площадке научно-лабораторного корпуса СПГУ (Санкт-Петербургского Горного Университета). Однако, содержание органических соединений, определяемое по величине перманганатной окисляемости (грунтовые воды – 36 мг/О₂дм³, напорные воды в линзе осташковской морены – 6,4 мг/О₂дм³) и ХПК (грунтовые воды – 150 мг/О₂дм³, напорные воды в линзе – 19,4 мг/О₂дм³), различаются. Снижение этих показателей в напорных водах объясняется тем, что происходит сорбция органического вещества при нисходящей фильтрации. Это положение доказывается исследованием количества органического вещества в моренных отложениях, которое определялось по величине С_орг методом мокрого сжигания и достигало 3%. Как известно, ледниковый генезис этих грунтов предполагает полное отсутствие органической компоненты.

Содержание органических соединений различного генезиса в моренных грунтах, а также окислительно-восстановительные условия в сочетании с физико-химическими процессами, протекающими в глинистых водоупорах, будут способствовать преобразованию их гранулометрического состава, прочности и деформационной способности, в значительно меньшей степени - их физического состояния по плотности и по консистенции.

Наличие восстановительных условий приводит к редукции трехвалентного железа, выступающего в роли активного коагулянта, при этом соединения трехвалентного железа формируют цементационные связи в морене. Переход Fe³⁺ в подвижную закисную форму (Fe²⁺) влечет за собой деградацию структурных связей за счет растворения и выноса цементирующих веществ, диспергацию глинистых грунтов и соответственно повышение их гидрофильности, что переводит такие грунты в категорию более слабых и деформируемых [2].

Поступление органических соединений абиотического и биотического генезиса за счет природных и техногенных источников, создает благоприятные условия для активизации микробиологической деятельности. Результатом такого процесса является накопление биомассы – живых и мертвых клеток микроорганизмов, продуктов их метаболизма белковой и небелковой природы, которые сорбируются на минеральных частицах дисперсных грунтов в виде биопленок – сложных в структурном плане динамических микробных сообществ, прикрепленных к поверхности и/или друг к другу. Установлено, что образование биопленок, развивающихся при наличии в поровой воде питательного субстрата, приводит к снижению сил взаимодействия между частицами, существенному уменьшению угла внутреннего трения, что отражается на составе и свойствах глинистых морен. При этом степень негативного влияния активизации микробной деятельности зависит от гранулометрического типа моренных отложений, которые могут быть условно разделены на три группы.

1. Близкие к оптимальным смесям: содержание песчаной фракции различного размера достигает 60-70%, небольшое количество пылеватых частиц, а глинистая фракция - менее 5-10%.
2. Супеси и суглинки с повышенным содержанием пылеватой фракции, количество которой превышает общее количество песчаной.
3. Глина пылеватая, где значения глинистой фракции превышает 30%, а количество пылеватых может варьировать в широких пределах, превосходя в отдельных случаях песчаные.

Наибольшее негативное воздействие органические соединения оказывают на грунты второй группы. В анаэробной зоне, где отмечается загрязнение ионом NH₄⁺  прослеживаются чаще всего глинистые морены третьей группы. Ион NH₄⁺ действует как диспергатор, разрушая устойчивые агрегаты пылевато-глинистых грунтов и способствуя увеличению содержания тонкодисперсных фракций, что усиливает их способность к пластическому характеру деформирования грунтов и длительному развитию больших и неравномерных осадок.

В качестве примера можно привести результаты исследований морены в разрезе площадки строительства учебно-лабораторного корпуса на Васильевском острове, территория которой испытала длительный период контаминации, насчитывавшей около 300 лет (размещение слободы в Галерной Гавани; существование частных домов, огородов и пастбищ для выпаса скота; размещение свалок хозяйственно-бытовых отходов; функционирование автопредприятия №4). Высокая степень загрязненности рассматриваемой территории подтверждается количеством микробной массы (ММ), которая определялась по содержанию микробного белка с использованием биохимического метода М. Бредфорда (табл.1). Значения ММ значительно превышают фоновые величины для незагрязненных моренных суглинков, составляющие менее <15 мкг/г. Исследования моренных отложений без жестких структурных связей и загрязненных органическими соединениями, в основном биотического происхождения, выполненные в условиях трехосного сжатия по схеме НН (неконсолидированно-недренированные испытания) в СПГУ под руководством проф. Дашко Р.Э., свидетельствуют о пластическом характере деформирования тугопластичных моренных грунтов (рис.2). Как уже указывалось ранее, такие отложения в действующих ТСН 50-302-2004 отнесены к надежным грунтам при оценке их несущей способности для свайных фундаментов.

Рис. 2 - Развитие относительной осевой деформации тугопластичных моренных суглинков с площадки на углу ул. Нахимова и ул. Наличной в зависимости от осевого давления в условиях трехосного сжатия при различных значениях всестороннего давления . σ₂ и σ₃ – минимальные главные напряжения

Вместе с тем, при сохранении постоянной консистенции контаминированных моренных отложений снижается величина их сопротивления сдвигу и модуль общей деформации. Варьирование угла внутреннего трения определяется гранулометрическим типом моренного грунта. Сохранение достаточно высоких значений углов внутреннего трения отмечается для 1 гранулометрического типа (φ=21º) при самой высокой плотности и низкой влажности, наименьшие углы зафиксированы в грунтах 2 и 3 типов (φ=3-4º), что связано с их повышенной пылеватостью и глинистостью в условиях увеличения естественной влажности. Модуль общей деформации в интервале осевого давления (от 0,1 до 0,05 МПа) во всех случаях меньше 5 МПа, что позволяет отнести такие грунты к отложениям с высоким уровнем их деформационной способности и возможностью развития больших и неравномерных осадок в основании сооружения (табл.1). При больших величинах осевого давления начинают развиваться незатухающие деформации, в таких условиях расчет модуля общей деформации выполнять нельзя.

Таблица 1 - Гранулометрический состав, показатели физико-механических свойств и содержание микробной массы в морене осташковского горизонта в разрезе строительной площадки учебно-лабораторного корпуса

* ρ – плотность, W – влажность, I_L – показатель консистенции,  φ – угол внутреннего трения, с– сцепление, Е – модуль общей деформации, ММ– микробная масса

 

Более высокое значение сцепления для третьей группы морен объясняется наличием молекулярной связности, которая увеличивается с ростом содержания тонкодисперсных фракций (d<0,002 мм). Кроме того, на величину сцепления оказывает воздействие также присутствие техногенной органики, имеющей цепочечные структуры, прочность которых определяется наличием водородных связей.

Вышеприведенные морены (см. табл. 1) не были рекомендованы как несущий горизонт для свайного фундамента. Сваи были заглублены в верхнекотлинские глины верхнего венда как более прочные и мало деформируемые. Комплекс разноэтажных зданий, возведенных на таких сваях, успешно эксплуатируется: величина осадки не превышает 3-4 см. Вместе с тем, жилые и административные здания, построенные в различных районах города, где несущим слоем для свайных фундаментов были выбраны моренные отложения восстановительной зоны, дают длительные и медленно затухающие осадки в течение первых десяти лет эксплуатации, способствуя трещинообразованию в стенах, что переводит здания в предаварийное состояние. При строительстве зданий на моренных отложениях с использованием фундаментов неглубокого заложения (монолитные плиты) также необходимо учитывать возможность негативной трансформации грунтов, служащих основанием. Строительство одной из испытательных лабораторий 14 этажного корпуса размером 20*104 м и максимальным давлением под подошвой фундамента 0,52 МПа (с учетом заполнения водой гидроканала), было реализовано на сплошной плите, толщиной 1,2 м, разрезанной на три части для устройства осадочных швов в корпусе здания, основанием которого была морена осташковского горизонта [1]. Ранее на рассматриваемой территории свыше 50 лет существовала свалка хозяйственно-бытовых отходов одного из мясоперерабатывающих комбинатов, которая при инженерной подготовке площадки была удалена и заменена пятиметровым слоем привозного песка. Моренные грунты характеризовались небольшим диапазоном влажности (20-23%), плотности (1,98-2,02т/м³) показателем консистенции (0,62-0,63) и по гранулометрическому составу принадлежали ко второй группе. Для определения расчетного сопротивления на стадии проектирования были использованы показатели сопротивления сдвигу (с=0,015 МПа, φ=25°), полученные в одноплоскостных сдвижных приборах по схеме КД (консолидированно-дренированная). Величина расчетного сопротивления (R) при указанных выше параметрах прочности, размерах плиты 20*104 м и ее заглубления 5,0 м, составила 0,68 МПа, что значительно выше давления под подошвой – 0,52 МПа [3]. Следовательно, был сделан вывод, что грунт в основании работает в зоне линейных деформаций в условиях их затухания во времени. Конечные осадки были рассчитаны с использованием модуля общей деформации, полученного по результатам компрессионных испытаний с учетом повышающего коэффициента И.А. Агишева, который составил 30-40 МПа. Соответственно проектная осадка не превышала 15 см. Проектирование сооружения по второму предельному состоянию с использованием параметров прочности по схеме КД и величины допускаемой осадке позволил сделать вывод о том, что его устойчивость может быть гарантирована. Однако еще на стадии строительства, когда давление от веса сооружения превысило половину проектной величины, началось интенсивное развитие деформаций, наблюдения за которыми велись более 14 лет и их максимальная величина достигала 58 см, а минимальная – 18 см. Поскольку за это время стабилизации осадок не отмечалось, то для оценки причин развития больших и неравномерных деформаций, и принятия решения для обеспечения устойчивости сооружения была пройдена скважина в его основании. Определение показателей плотности, влажности и консистенции моренных грунтов в разрезе этой скважины показало, что значения этих параметров находятся в тех же интервалах, что и до возведения сооружения. Следовательно, несмотря на высокие значения действующих давлений, консолидация пород в основании сооружения не наблюдалась, а осадка происходила за счет бокового распора грунта из-под плиты, принимая во внимание, что относительное заглубление фундамента (отношение глубины фундамента к его ширине) составляет только 0,25. Таким образом, параметры сопротивления сдвигу моренных суглинков должны определяться по схеме НН при давлениях, которые отвечают реальному напряженному состоянию грунтов в основании. Характеристики сопротивления сдвигу моренных суглинков, определенные по такой методике в стабилометрах при возможности бокового расширения грунта составили: с=0,033 МПа, φ=5°. Определение расчетного сопротивления при полученных значениях с и φ при сохранении тех же значений плотности грунтов выше и ниже фундаментной плиты дает величину, равную R=0,26 МПа, которая в 2 раза меньше действующего давления от веса недостроенного сооружения (p_с=0,43 МПа) и означает, что при превышении давления R=0,26 МПа, грунт вступил в фазу интенсивного развития пластических деформаций [1, 3]. В связи с этим, учитывая небольшую глубину залегания плотных нижнекембрийских глин под моренными отложениями, был предложен один из наиболее эффективных вариантов устройства фундаментов с применением свай-стоек.

Приведенный пример наглядно свидетельствует, какую важную роль играет определение несущей способности морен Санкт-Петербурга с учетом условий их образования и изменения под действием различных факторов, а также корректного обоснования методики проведения испытаний для определения сопротивления сдвигу и деформационной способности в условиях отсутствия фильтрационной консолидации водонасыщенных грунтов.

На основании вышесказанного, оценка несущей способности и соответственно устойчивости проектируемых сооружений должна базироваться на анализе негативной трансформации состава и свойств глинистых морен c учетом физико-химических и микробиологических факторов, принимая во внимание исторический аспект специфики использования территории, предназначенной для строительства.

Список литературы / References

1. Дашко Р.Э. Инженерно-геологический анализ и оценка водонасыщенных глинистых пород как основания сооружений / Р.Э. Дашко. - СПб: Институт «ПИ Геореконструкция», 2015. – 371 с.
2. Дашко Р.Э. Геотехника и подземная микробиота / Р.Э. Дашко, Д.Ю. Власов, А.В. Шидловская. - СПб: Институт «ПИ Геореконструкция», 2014. – 269 с.
3. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. – М., 2011. – 166 с.
4. ТСН 50-302-2004. Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. - СПб.: Правительство Санкт-Петербурга, 2004. – 58 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Dashko R.E. Inzhenerno-geologicheskij analiz i ocenka vodonasyshhennyh glinistyh porod kak osnovanija sooruzhenij [Engineering and geological analysis and evaluation of water-saturated clay rocks as the base facilities] / R.E. Dashko. - SPb.: Institut «PI Georekonstrukcija», 2015. – 371 p. [in Russian]
2. Dashko R.E. Geotehnika i podzemnaja mikrobiota [Geotechnics and underground microbiota] / R.E. Dashko, D.Ju Vlasov, A.V. Shidlovskaja. - SPb.: Institut «PI Georekonstrukcija», 2014. – 269 p. [in Russian]
3. SP 22.13330.2011 Osnovanija zdanij i sooruzhenij. Aktualizirovannaja redakcija [Foundations of buildings and structures. The updated edition] SNiP 2.02.01-83*. – М., 2011. – 166 р. [in Russian]
4. TSN 50-302-2004. Proektirovanie fundamentov zdanij i sooruzhenij v Sankt-Peterburge [Design of foundations of buildings and structures in St. Petersburg]. - SPb.: Pravitel'stvo Sankt-Peterburga, 2004. – 58 p. [in Russian]