Геоэкологические последствия строительства на закарстованной территории на примере участка на уфимском полуострове

Челпанов П.Е., Камалов В.Г., Мухаметшина Г.Р.

ООО «Архстройизыскания». г. Уфа, Россия. oooasiz@mail.ru

АННОТАЦИЯ: В работе рассматриваются инженерно-геологические особенности интенсивно закарстованного участка, которые способствовали геоэкологическим последствиям – разрушению южной части эксплуатируемого здания.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: воронка, карст, суффозия, барраж, аномалия, ОГТ.

В данной статье рассматриваются причины деформации здания ТСК «Кувыкинский» и необходимые мероприятия для их устранения.

Исследуемое здание было построено в 2004г. Размеры здания в плане 45х66 м, высота 13.25 м, колоны железобетонные круглого сечения, перекрытия из сборных ж\б плит, формы металлические из труб квадратного сечения, крыша скатная. Фундаменты свайные с монолитным железобетонным ростверком. Длина свай составила от 4 до 21 м и определялась крутизной борта воронки в южной части здания и необходимостью опирания концов свай в уфимские отложения. В результате сваи длиной 4—8 м и 8-12 м к (кроме осей Г—К, 9—11) достигли уфимских отложений и работают как сваи – стойки, сваи длиной 8—12м (в указанных выше осях), 12—16, 16—18 и 18—21м не достигли уфимской толщи от1до12м и работают в неоген-четвертичных грунтах как «висячие» сваи. Анализ геофизического материала по методу ОГТ выявил аномалии вытянутой по вертикали формы, до глубины от 25.0 до 40.0м. При наложении карты зон распространения этих аномалий на план свайного поля, практически все аномалии четко приурочены к узлам пересечения осей свайного поля или к отдельным сваям (см. рисунок 1). При забивке свай, а также при бурении инъекционных скважин неизбежно произошло нарушение естественной сплошности массива. Нарушены локальные, маломощные водоупоры и созданы вертикальные каналы фильтрации различной глубины. Для создания более надёжного опорного слоя под концами свай—стоек в осях 8—12 А—К выполнено инъектирование цементного раствора через сеть скважин (208шт.). По результатам геофизических исследований подтверждена цементация трещиноватых грунтов в области нижних концов свай на глубине 11—31м, что соответствует требованиям проекта укрепления грунтов. Выполненные геотехнические мероприятия оказались недостаточными, стабилизация осадок не достигнута. Одной из главных причин осадок, после закрепления, явились зоны суффозионного выноса частиц вдоль борта воронки ниже глубины 31м.

В 2011г. начались осадки южной части здания. По данным наблюдений (см. рисунок 2) в течение 59 дней наибольшие осадки фундаментов произошли в осях 8—12, А—К: максимальная 4.3мм (М5), средняя—2.2мм. Средняя скорость осадки в указанных осях составила 1.1мм в месяц, по всему зданию 0.6мм./мес. Соседняя подпорная стена строящегося здания также просела на 2.7мм (М18) и на 4.2 (М17) («Шеменков, 2011»).

До 2014 г. наблюдения за осадками не велись. За этот период осадки с разной скоростью продолжались и деформации конструкций превысили допустимые значения. Функционирование здания приостановлено.

Цель настоящих исследований: выяснение причин деформации здания с помощью анализа инженерно-геологических особенностей участка с привлечением фондовых материалов изысканий, дополнительных полевых работ и выработкой рекомендаций по дальнейшей эксплуатации здания.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ УЧАСТКА

Рельеф участка относительно ровный с некоторым уклоном к востоку, в сторону р. Уфы, абсолютные отметки поверхности 188.0—190.6м.

По фондовым материалам под северной частью деформируемого здания располагается борт карстово—суффозионной воронки; непосредственно на самой воронке построены несколько других сооружений, т.е. воронка засыпана, за-строена и заасфальтирована (см. рисунок 3). На аэрофотоснимке 1939-41г.г. она просматривается как карстовое озеро—округлой формы с крутыми бортами, диаметром около 75м, диаметр зеркала воды 50—55м, глубиной по разным оценкам 20—40м. К северо—востоку от неё, в 280м, прослеживается верховье оврага того же простирания, который по современным представлениям является линеаментом, секущим ось Уфимско—Сутолокского вала и образующим узел, где образовалась карстовая воронка. Настоящая бровка её восстановлена по данным бурения скважин. Глубина воронки также определена скважиной №9 («Сохранный, Фёдоров, 1991»). Таким образом, воронка в плане овальная размером 43х39м по горизонтали уфимских отложений 170.0 м, глубиной 18м по подошве насыпных грунтов, вытянута к юго—востоку. Нижняя часть воронки в пачке уфимских отложений резко суживается, что может свидетельствовать о её приуроченности к тектоническому нарушению (трещине). Встреченные заполненные полости в кунгуре говорят о периодически открывающемся поноре и проседании в него уфимских и неоген—четвертичных отложений. После кольматации понора воронка заполнялась поверхностными и подземными водами уфимского горизонта, образуя упомянутое озеро, которое в 1953г. исчезло и вскоре засыпано. Учитывая заполнение воронки неогеновыми отложениями, её следует отнести к древней, провального типа.

В структурно—геоморфологическом плане участок приурочен к восточному крылу Уфимско-Сутолокского вала его локальному Усольскому тектонически активному очагу с восходящей направленностью движения в неоген-четвертичное время («Камалов. Барышников, 2013»).

Геологическое строение (рисунок 4)

Особенности следующие: воронка до 18м заполнена насыпными грунтами (строительные и бытовые отходы, разлагающиеся опилки, ил, песок, гравий), подстилаемыми четвертичными глинами и суглинками мощностью до 6.0м. Ниже вскрыта неогеновая полутвёрдая глина мощностью 12м. Уфимская пачка представлена переслаиванием шешминских пестроцветных глин, кавернозных известняков и выветрелых песчаников мощностью до 31м; мергелями от мучносто—глинистых до полускальных разностей с прослоями аргиллитоподобных глин мощностью до 11м; гипсами полускальными и закарстованными (небольшие полости) на контактах с мергелями и песчаниками, мощность отдельных прослоев до 3м. Соликамский горизонт пред-ставлен загипсованными глинами мощностью до 7-8м. Иренские гипсы сильно закарстованы — вскрыты многоуровневые, как открытые полости, так и заполненные глинистым материалом. За пределами воронки неоген — четвертичный чехол отсутствует и в геологическом разрезе в контурах здания преобладают уфимские отложения, описанные выше и перекрытые техногенными насыпными грунтами.

Гидрогеологические особенности

Локальный водоносный горизонт в карстовой воронке вскрывается на разных уровнях, на глубинах 1.8-8.5м, в насыпных грунтах и подстилающих их четвертичных глинах, безнапорный, зависает над более плотными разностями грунтов, питается атмосферными осадками и техно-генными водами (повышенное содержание хлора), разгружается по бортам воронки в нижележащие отложения; водоупором служат неогеновые глины.Уфимский водоносный комплекс рас-пространён в виде отдельных линз и прослоев в трещиноватых песчаниках, известняках; безнапорный. По данным геофизики подземные воды ступенчато перетекают по аномальной зоне («Сохранный, Фёдоров, 1991») в районе осей в карстовую воронку по её бортам, способствуя суффозионному процессу. Иренский водоносный горизонт вскрывается в верхней части трещиноватых закарстованных гипсов на глубинах 54—87м от поверхности земли; по химическому со-ставу подземные воды сульфатные, но обладающие растворяющей способностью к гипсам (гипсовая ёмкость 0.52—1.7 г/л), что объясняется постоянной подпиткой их агрессивными водами, поступающими в карстовую депрессию.

Рисунок 3. План районирования и зонирования территория по категориям устойчивости относительно карстовых провалов

Опасные геологические процессы представлены карстом и суффозией. На данном этапе их развития они являются техногенными. Примыкая к осевой части Уфимско—Сутолокского вала, испытывающего неотектонические разнонаправленные движения и растяжения, исследуемый участок интенсивно карстовался по трещинам и, возможно, по разломам, о чём свидетельствует карстовая воронка. Антропогенные воздействия на участок и прилегающую территорию создали условия для развития суффозии (барражирование подземных вод, сосредоточение их по ослабленным зонам, по бортам воронки, вдоль свай и увеличение скорости инфильтрации, поступление дополнительного количества различных видов вод при строительстве, и т. д.).

Условия развития карста и приведённые выше основные факторы его развития определили современное состояние массива горных пород на исследуемом участке. Они отражены на картах районирования по карстовой устойчивости относительно карстовых провалов и зонирования по карстовой опасности. На участке выделены: II (неустойчивая) — южная часть ТСК Кувыкинский; III (недостаточно устойчивая) – остальная часть торгового комплекса категории устойчивости относительно карстовых провалов; по зонированию территории по степени карстовой опасности выделены зоны «В» и «С» (см. рисунок 3, («Сохранный, Фёдоров, 1991»)).

Геоэкологические техногенные факторы, приведшие к критическим деформациям здания:

• создание условий для активизации суффозии;
• насыщение водой массива грунтов с прилегающих территорий, утечками из инженерных водонесущих коммуникаций;
• сосредоточение подземного потока в наиболее ослабленных зонах: по трещиноватым зонам, по стволу свай;
• уплотнение насыпных грунтов в результате разложения их органической составляющей и, как следствие, оседание грунтов в контурах здания;
• временные динамические воздействия на массив грунта на борту карстовой воронки;
• изменение физико—механических свойств грунтов.

Анализ проведенных работ (обследование здания, инженерно – геологические и геофизические работы) позволяют сделать вывод, что деформации конструкций южной части исследуемого здания приобрели необратимый характер. В качестве мероприятий для предотвращения разрушения здания необходим демонтаж южной части ТСК разорвав свайный ростверк по осям 11, 10 для исключения влияния деформации; ревизия водопроводящих коммуникаций; организация дренажной системы для отвода талых и дождевых вод с исследуемой территории; организовать карстологический мониторинг геодезическими методами наблюдения за осадками здания.

Список литературы

ТСН 302-50-95. РБ. Инструкция по изысканиям, проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений на закарстованных территориях. Уфа: Гос-строй РБ, 1996.

СП 11-105-97. Инженерные изыскания для строительства. Части I, II,III. Общие правила производства работ. Гос-строй России. – М: ПНИИИС Госстроя России, 1997.

Камалов В.Г., Барышников В.И. Заказ № 2196. Создание цифровой карты инженерно-геологического районирования в м-бе 1:10000 для разработки Генерального плана городского округа город Уфа Республики Башкортостан. Уфа: Уфастройизыскания, 2013.

Рассохина И.П., Гришин П.В., Подгайнова И.П. Заказ №6312. Застройка микрорайона П «Зеленая Роща» в Кировском районе г. Уфы (I очередь). Том II. Отчет об инженерно-геологических изысканиях. Уфа: ГлавУАиГ, 1975.

Сохранный О.А., Фёдоров В.Г. Заказ №17590. Застройка микрорайона МЖК в Кировском районе г. Уфы. Том II. Отчет об инженерно-геологических изысканиях. Уфа: ГлавУАиГ инв. №№ 3504, 1991.

Шеменков Ю.М. Заказ №02/238. Заключение о несущей способности призматических свай на площадке строительства ТСК «Кувыкино» в г. Уфе с рекомендациями по проектированию свайного фундамента. Уфа: ГУП институт «БашНИИстрой», 2002.

Шеменков Ю.М. Заказ №2011/54. Заключение по результатам обследования грунтового основания и технического состояния строительных конструкций торгового комплекса «Кувыкинский» в г. Уфе с рекомендациями по дальнейшей эксплуатации здания. Уфа: ГУП институт «БашНИИстрой»,2011

Geological consequences of construction on karst areas (for example, the site at the Ufa » peninsula» )

Kamalov V.G., Chelpanov P.E., Mukhametshina G.R.

OOO «Arkhstroyiziskaniya .» Ufa, Russia, email: oooasiz@mail.ru

ABSTRACT: The article deals with engineering-geological features intense karst area, which contributed Geological consequences — the destruction of the southern part of the building.

KEYWORDS: funnel, karst, suffusion, barrage, the anomaly.