Застосування спектральної сейсморозвідки для вирішення завдань інженерної геології

Споконвіку здійснення різного роду будівельних робіт грунтується на стратегічних, економічних, естетичних принципах, але так склалося, що до цих пір ніколи не враховувалися геологічні моменти. Це відбувалося через слабку вивченості механізмів впливу будови земної товщі на надійність інженерних споруд. Строго кажучи, інженерно-геологічні дослідження проводяться, але якщо врахувати, що результати їх практично ніколи не впливають на рішення, прийняті до проведення вишукувань, не можна не визнати, що виробляються вони чисто формально.

Відомий теза будівельників про те, що будувати можна скрізь. Якщо будівельний майданчик перетинається річкою або струмком - їх засипають, якщо вона припадає на заболочену місцевість - знімають торф, здійснюють підсипку, забивають палі, і задачу підготовки площі під будівництво вважають вирішеною.

Проте давно помічено, що потім, коли інженерне споруда вже побудовано, а іноді, і в період будівництва, в цих зонах виникають ускладнення. Причому ускладнення такого роду, як якби грунт у цих зонах мав знижену несучу здатність або, інакше кажучи, підвищену піддатливість. У будинках розвиваються тріщини, автомобільні дороги та залізничні колії у цих зонах вимагають більш частого ремонту і характеризуються підвищеною аварійністю що проходить по них транспорту, збільшується аварійність трубопроводів.

Тим не менше, будівельна наука не враховує вплив описаних зон на надійність споруди, і тому, незважаючи на наявні прецеденти (давно вже сформований досвід), при будівництві ці моменти ігноруються.

Справа в тому, що будівельна наука наказує відноситися до грунту як до середовища, що володіє пружними властивостями. Це дозволяє вважати, що шари осадових порід під впливом інженерних споруд прогинаються. Природно, що прогин буде тим менше, чим більше потужність (товщина) шару. При цьому розрахунки і результати лабораторного моделювання показують, що для середніх розмірів споруди при потужностях породних шарів, що перевищують 10 - 15 м прогин нікчемний настільки, що ним можна знехтувати. Або, інакше кажучи, на глибинах, що перевищують 10 - 15 м, вплив з боку інженерної споруди на породи настільки мало, що його можна не враховувати.

Як наслідок такого підходу, уваги при будівництві приділяється лише приповерхневому породному шару (грунту), і якщо його міцність вважається достатньою, то ніяких обмежень на будівельні роботи вже бути не може. При недостатній міцності породи приповерхневого шару зміцнюються палями, що також має сприяти підвищенню надійності зводиться споруди.

Ставлення до осадковим порід як до пружної середовищі має ще один наслідок. Наявність в земній товщі якої-небудь неоднорідності типу, скажімо, карсту, за цієї умови може позначитися на надійності споруди лише в тому випадку, якщо ця неоднорідність залягає на глибинах, що не перевищують тих же 10 - 15 м. Природно, що залягають на великих глибинах тектонічні порушення в розрахунок прийматися вже точно не повинні.

Однак спеціально проведені дослідження [1] показали, що гірські породи взагалі і грунт, зокрема, теорії пружності не підкоряються, і реакція на зовнішній вплив тиском така, як якби породи являли собою сильно спресований пісок. Це різко змінює ставлення до принципам і основам будівельної науки.

Справді, якщо породні шари під впливом неоднорідною навантаження не прогинаються, а руйнуються, то з глибиною дію цього навантаження не зменшується. І, отже, якою б не була потужність осадового чохла, наявність тектонічного порушення в кристалічному фундаменті впливає на всю товщу осадових порід, що знаходяться безпосередньо над цим порушенням.

Використання як дослідницького апарату нового геофізичного методу спектрально-сейсморозвідувальних профілювання (ССП) [2] показало, що вплив тектонічного порушення на всю товщу осадових порід, знаходяться безпосередньо над цим порушенням, дійсно має місце. Складається цей вплив в тому, що в усьому породному стовпі, що знаходиться над тектонічним порушенням, постійно йде процес як би заліковування порушення. Цей процес являє собою мікропереміщеннях часток зверху вниз. Отже, осадові породи в цій зоні знаходяться в тиксотропної, як би неоформленому стані. Вони податливі й проникні для рідин і газів. Про їх стан можна судити з того, що при розвідувального буріння в цих місцях взяти керн не вдається.

У силу такого впливу тектонічного порушення на всю товщу осадових порід, саме в цих зонах відбувається хронічне просідання грунту, освіта боліт, русел річок і струмків. Тобто, засинаючи русла і витягуючи торф при підготовці будівельних майданчиків, здійснюється всього лише як би косметичний ремонт зони, несуча здатність грунту в межах якої від цього не підвищується.

Що стосується наявності міцного приповерхневого породного шару, що має місце навіть в зонах тектонічних порушень, то справа тут в наступному. Верхня межа породного стовпа, що володіє підвищеною мікротрещіноватостью, переміщується знизу вгору в міру збільшення потужності осадових порід. Однак розчавлює дію вищерозміщених осадових порід на нижележащие при наближенні до денної поверхні слабшає, і з-за недостатній тиск приповерхневих породний шар бере участь у процесі заліковування тектонічного порушення дуже слабко. Повільне руйнування порід у приповерхневому шарі буде тривати до тих пір, поки в зоні тектонічного порушення не почнуться будівельні роботи. Вплив з боку будівельної техніки, а потім, з боку зведеного споруди, еквівалентно збільшенню потужності осадових порід, тобто сприяє прискоренню руху вгору зони підвищеної мікротрещіноватості аж до виходу її на поверхню.

Наближення зони підвищеної мікротрещіноватості до поверхні обумовлює зниження несучої здатності грунту, або, інакше кажучи, збільшення його податливості, а отже, прискорення занурення відповідної частини споруди в грунт.

Причиною сформованого протиріччя між будівельною наукою і практикою з'явилися наступні обставини. З одного боку, лабораторне фізичне моделювання властивостей гірських порід, не підкоряються теорії пружності, здійснюється на матеріалах, які теорії пружності підкоряються - таких як оргскло, скло й навіть метали, що, природно, неправомірно. З іншого боку, до цих пір не було коштів, придатних для надійного картування тектонічних порушень. Тому, вивчаючи карсти, пливуни, поховані русла та інші подібні об'єкти, ніхто не здогадувався про те, що ці об'єкти є вторинними, оскільки своїм походженням вони зобов'язані наявності під ними тектонічних порушень.

Положення змінилося у зв'язку з появою методу ССП, з допомогою якого виявилося можливим дослідження та картування як тектонічних порушень, так і вторинних, щодо їх, геологічних об'єктів.

Тектонічні порушення в кристалічному фундаменті розташовані хаотично, і потрапляння того або іншого споруди до зон їх впливу - Справа випадку.

Так, наприклад, палац Румянцева в Петербурзі (Англійська наб., д.44), був побудований в середині XVIII століття, і перші 70 років його експлуатації не доставляли ніяких турбот. Прибудований до нього в 1826 році портик потрапив своєю північно-східною частиною в край зони тектонічного порушення, в результаті чого один його кут став занурюватися в грунт з швидкістю, що перевищує швидкість занурення основної частини будівлі. Для того щоб утримати портик, його жорстко пов'язали з основним корпусом сталевими стяжками і стрижнями. Однак сталося навпаки. Портик став захоплювати за собою будівля. В результаті, виникла система тріщин, яка буквально розриває будівля.

Особняк Румянцева - пам'ятка культури, що охороняється державою, і в зв'язку з цим, робилися спроби підтримання його в прийнятному стані. Якби ремонтні роботи були спрямовані на те, щоб зупинити подальше занурення портика в грунт, ці спроби були б більш вдалими. На жаль, всупереч нашим рекомендаціям, під портик були підведені буронабивні палі. Це було зроблено для того, щоб створити додаткову опору для портика. Однак застосування паль в зонах тектонічних порушень не дає позитивного результату. У даному випадку, палі лише збільшили вага занурюється в грунт частини споруди, а отже, виявилися фактором, що сприяє прискоренню його занурення.

Ще в роботі [3] було відзначено, що існують зони, в яких палі неефективні. Ми, по суті, тільки внесли ясність, виявивши, що ці зони - зони тектонічних порушень. Однак застосування різного роду бетонних і залізобетонних опор в цих зонах виявилося узаконеним [4], і це принесе ще чимало неприємностей.

Кілька слів про методи боротьби з руйнуваннями споруд, які є наслідком нерівномірних осад. Тут як в медицині, коли іде боротьба з наслідками, а не з причинами пороку, результат виявляється жалюгідним. Загальновідомі методи - це посилення пальових полів, зведення потужних подушок з бетону та залізобетону. Однак бетонні конструкції не здатні згинатися, і коли під ними йде грунт, який є їхньою опорою, то рано чи пізно, особливо, за наявності динамічних, вібраційних впливів, вони руйнуються. Так сталося на Чорнобильській АЕС, побудованої, як виявилося, на розломі, того ж слід чекати і на Північно-Західної ТЕЦ, де обидва машинних залу виявилися побудованими в зонах тектонічних порушень.

Територія Північно-Західної ТЕЦ розташована в Ольгине, на північній околиці Санкт-Петербурга, в безпосередній близькості від очисних споруд, які постійно знаходяться в аварійному стані з самого початку свого будівництва. Обстеження методом ССП показало, що руйнування очисних споруд відбувається в точній відповідності з розташованими там тектонічними порушеннями.

Очисні споруди зводилися тоді, коли методу ССП ще не було, і тому звинувачувати в ситуації, що склалася там нікого не можна. Що ж Щодо ТЕЦ, то її територію ми обстежили ще під час будівництва, то Тобто тоді, коли ще можна було щось зробити. У представленому керівництву ТЕЦ звіті було показано, що обидва машинних залу виявилися в розташуванні тектонічних порушень, з усіма наслідками, що випливають звідси наслідками. Оскільки ця інформація не була врахована, то тепер цей об'єкт у цілому становить для нас інтерес як полігон для перевірки правильності зробленого нами прогнозу.

Характер руйнування інженерної споруди, що потрапив у зону тектонічного порушення, залежить від багатьох причин. Тут адже виходить взаємний вплив між породами в зоні тектонічного порушення і характером впливу з боку споруди, і при одному і тому ж стані порід руйнування споруди відбуватиметься тим швидше, чим більше вага споруди, а також, чим більше динамічна складова впливу з його боку. Так, корпус лікарні на Крестовському о-ві, побудований ще до війни, почав різко занурюватися в грунт і руйнуватися тільки після того, як в одному з приміщень було встановлено прес для виробництва лікарських препаратів.

Впливу з боку тектонічних порушень схильні і зовсім незначні об'єкти. Так, наприклад, розташований на території Петропавлівської фортеці Ботний маленький одноповерховий будиночок. Він був побудований в 1761 році, і скільки ми його пам'ятаємо, практично постійно ремонтується, оскільки в його фундаменті і стінах постійно розвивається тріщина, яка ділить будиночок приблизно навпіл.

Для з'ясування причини цього, в 1997 році навколо будівлі було здійснено обстеження методом ССП. На рис. 1 наведено ССП-розріз, отриманий при профілювання в північно-західному напрямку, вздовж фасадної стінки Ботного будинку, в якій розвивається тріщина.

Наведений на рис. 1 ССП-розріз являє собою сукупність спектральних зображень сейсмосігналов, отриманих при проведенні сейсмоізмереній з кроком, рівним 2 м. Кожен потовщення на вертикальній осі відповідає рівню мікронарушенності порід [5]. Як видно з малюнка, ділянка профілю 20-32м характеризується породами, що мають підвищену мікронарушенность, що відповідає більшій податливості грунту.

Видиме на ССП-розрізі різниця у рівні мікронарушенності Щодо порід на глибинах 30-40 м, проте це є індикацією стану порід до самої поверхні, що і підтверджується характером руйнування споруди. Таким чином, причина появи тріщини в Ботном будинку -- розташування будівлі на кордоні між ділянками з різними значеннями несучої здатності грунту. В результаті, фундамент будинку як би працює на зріз. На ССП-розрізі чітко видно, що межа, за якою проходить різка зміна несучої здатності грунту, збігається з місцезнаходженням тріщини, розділила будинок на дві частини.

Рис. 1

Цей випадок дуже простий, і заходи, які могли б припинити руйнування Ботного будиночка, очевидні. Для цього слід або пересунути будинок на 6м в північно-західному напрямі, або підвести під будинок металеві балки, здатні, на відміну від крихкого фундаменту, пружно згинатися.

На жаль, дирекція музею "Петропавлівська фортеця "проігнорувала висновки, які ми зробили в результаті обстеження, і Ботний будиночок знаходиться, як і раніше, у стані безперервного ремонту.

Даний випадок є особливо цікавим, тому що ми мали можливість поспостерігати, як відбувається розвиток процесу зниження несучої здатності грунту в часі, і до яких руйнувань будівлі ці процеси приводять. Після здійснення ССП-вимірів на початку 1997 року будинок Ботного будиночка було поставлено на капітальний ремонт. До середині 1999 року ремонт був завершений. Зовні будиночок виглядав як новенький. Огляд будівлі в початку 2000 року показав, що почали руйнуватися бетонні цоколі колон, а в нижній частині деяких колон з'явилися субвертікальние тріщини. На початку літа 2000 року почалися роботи з ремонту цоколів колон. Огляд, здійснений у це час, показав, що кут розташованого в 10 метрах від Ботного будиночка 3-х поверхового будівлі (Петропавлівська фортеця будинок N 9) від фундаменту до 2-го поверху перетинає тріщина. Напрямок тріщини відповідає напрямку кордону між зонами з різною несучу здатність грунту. Огляд Ботного будиночка в грудні 2001 показав наступне. Більшість колон будівлі пронизані субвертікальнимі тріщинами, протягнулися знизу на половину, а то і на 2/3 висоти колон. З західної та східної сторін будинку на стику стіни будівлі з ганком спостерігаються тонкі тріщини. Їх місце розташування в точності відповідає розташуванню потужної тріщини, що розділяє будівлю майже навпіл, що спостерігалася в момент вимірювань в 1997 році. У розташованому поряд будинку N 9 спостерігалася раніше тріщина збільшилася і перетинає будівля вже від фундаменту до самого даху.

Підвищена проникність порід у зонах тектонічних порушень має своїм наслідком формування підземних водотоків, а в деяких випадках, виникнення замкнутих водонасичених обсягів з підвищеним тиском всередині. Це так звані пливуни, дуже поширені в Петербурзі та Ленінградській області. Самі по собі, пливуни можуть до пори до часу не становитиме небезпеки для споруд. Але якщо якимось чином позбавити пливуни герметичності, то будівля, що знаходиться над ним, негайно почне осідати. Така ситуація виникла, наприклад, на набережній Обводного каналу.

На рис.2 наведено план ділянки набережній Обводного каналу поблизу будинків N.48-50. При веденні будівельних робіт з розширення набережної, а саме, при забиванні шпунта в дно каналу, стався провал грунту в зоні, оконтуренной еліпсів, через яку проходить підземний силовий кабель метрополітену, телефонні кабелі і каналізаційний колектор. Крім того, в цей Водночас почалася інтенсивна осаду і руйнування будинку N 48.

Рис. 2

Проведені методом ССП п'ять паралельних профілів дозволили виявити систему пливунів, приурочених до зони тектонічних порушень. На рис. 2 ця зона обмежена штриховими лініями. При забивання шпунта пливуни був потривожений, і почалася міграція його вмісту. Це порушило гідрогеологічний режим всієї зони, що і створило аварійну ситуацію.

Буває так, що зона тектонічного порушення невелика, і знаходиться цілком під спорудою, і тому не може бути виявлена при оконтурювання методом ССП навколо його фундаменту. У такому випадку, зробити діагностування будівлі можливо тільки шляхом обстеження його підвальних приміщень.

Саме так довелося робити при діагностуванні будівлі Біржі, що на Стрілці Василівського острова. Будівля Біржі була побудована в 1810 р. Востаннє воно ремонтувалося в 1946-48 рр.. На даний момент будинок «Розколоте» численними тріщинами. Профілювання під будівлею, уздовж підвалів, дозволило виявити фактори, що обумовлюють його руйнування.

Показаний на рис. 3а ССП-розріз, отриманий при профілюванні в підвалі будівлі, містить три основні зони, що розрізняються за величиною несучої здатності