Качественный и количественный анализ деформации основания и конструкций Мемориального центра в г. Ульяновске Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 624.131.542 В. Г. ТИШИН

КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ ДЕФОРМАЦИЙ ОСНОВАНИЯ И КОНСТРУКЦИЙ МЕМОРИАЛЬНОГО ЦЕНТРА В Г. УЛЬЯНОВСКЕ

Рассмотрены стратиграфические и литологические характеристики территории, где построен Мемориальный центр (МЦ). Приведены состав и размещение объектов инженерной защиты оползневой территории, вблизи которой располагается МЦ. Охарактеризованы основания, фундаменты и проанализированы их осадки с учетом времени эксплуатации. Приведены результаты экспертных оценок состояния зданий и результатов его длительной эксплуатации.

Ключевые слова: качественный анализ, деформация основания, оползневой склон, бурнонабивная свая, экспертный анализ.

При создании Ленинской Мемориальной зоны в городе Ульяновске построен Мемориальный центр (МЦ), который расположен в непосредственной близости к оползневому склону (косогору). В геоморфологическом отношении площадка этого объекта приурочена к коренному водораздельному плато рек Волги и Свияги.

Рельеф площадки ровный и характеризуется спокойным, хорошо выраженным уклоном в западном направлении в сторону реки Симбирки, которая пересекает Волжско-Свияжский водораздел и впадает в реку Свиягу.

С востока непосредственно к площадке, где распложен МЦ, примыкает правобережный оползневой склон. Бровка склона проходит примерно на расстоянии 90 м от МЦ. Абсолютная отметка бровки оползневого склона 175... 177 м, при крутизне его 10... 15°, который выположен и террасирован с устройством парковой зоны. Высота откоса над уровнем Куйбышевского водохранилища в районе МЦ составляет в среднем

122... 124 м. В самой верхней части склона под МЦ сформирован высокий и крутой прибровоч-ный откос. Высота этого откоса в Мемориальной зоне 15...25 м при крутизне 37°.

Все исторические оползни, которые происходили на рассматриваемой территории (1902, 1915,

1920, 1955 гг.), относились к оползням-сдвигам, имеющим блоковый характер, при возникновении которых происходили смещения значительных по площади и объёму массивов фунта.

© В. Г. Тишин, 2007

В геологическом строении площадки принимают участие нижнє- и верхнемеловые отложения, перекрытые с поверхности мощным слоем насыпного грунта (рис. 1). В коренном массиве волжского склона наиболее древними являются отложения нижнего мела, которые согласно [1] подразделяются на 25 разнородных слоев.

Породы готерива, слагающие нижнюю часть склона, представлены чёрными, тёмно-серыми очень плотными глинами, которые неоднородны по глубине и простиранию и имеют местами слюдистый и песчанистый составы. Мощность этих глин порой достигает 90 м.

Отложения баррема, располагаются на глинах готерива. Мощность барремских отложений составляет в среднем 20 м, и они представлены в литологическом отношении пятью перемежающимися слоями водоносных песков и водоупорных глин. Верхняя часть толщи сложена трещиноватыми глинами с добавлением песчаного материала.

Отложения апта, располагающиеся на породах баррема, имеют мощность около 60 м и выходят на поверхность в верхней и частично в

средней частях склона.

Представлены они, в основном, серыми глинами с отдельными прослоями известняка.

В средней части аптских отложений (в 25 м от его подошвы) залегает, так называемая, «аптская плита». Это слой сланцеватой глины с про-слоями песчанистого известняка мощностью от 0,5 до 4,6 м.

Отложения альба в верхней части разреза представлены чередованием песчаных и глинистых слоев. Мощность этой толщи в среднем составляет 10... 15 м.

Т///////////

Куйбышевское

водохранилище

1М?Р?ЖЦ

С-3

КД- $1 Мемориальный тісіггр

"Л 1~; .

К,е Готеривскийярус К,1-й Турон-сантонский ярус

К,а1 Альбскин ярус К,а Аптский ярус

dp N-0 Древние оползневые отложения;

^ смещённые блоки и пачки нижпсмсловых глия Неактивные оползни

Абс. ота. (м)

Рис. 1. Схематический стратифафический разрез по оси МЦ перпендикулярно оползневому склону

В гидрологическом отношении в рассматриваемой толще оползневого склона наиболее водообильной является «аптская плита», где вода содержится в трещиноватых сланцеватых глинах и в прослое известняка. Горизонт зачастую обладает напором, высота которого достигает 8,6 м. Раз-фузка аптских вод происходит в оползневые накопления на отметках 110.. .120 м (см. рис. 1).

Подземные воды апьбекого водоносного горизонта приурочены к слоям 5,7,9 по И. С. Рогозину [1] и имеют преимущественно слабый напорный характер. По химическому составу воды этих слоев обладают по отношению к бетону сульфатной агрессией. Слой 5 является наиболее обводнённым в альбеком горизонте с коэффициентом фильтрации до 2,3 м/сут. В комплексе покровных отложений подземные воды формируются за счёт инфильтрации атмосферных осадков и хозяйственных вод.

Количественная оценка устойчивости сформировавшегося склона при проектировании МЦ выполнялась только на отдельных участках для нижней части применительно лишь к одному из проявившихся в Ульяновске оползней № 31 (по общему каталогу), рис. 2.

Степень устойчивости всего склона и его бровки при проектировании МЦ не определялась. Допустимое расстояние строящегося МЦ от бровки оползневого склона было задано интуитивным путём без обоснования глубокими расчётами [2] и принято ориентировочно 90 м.

Здание МЦ прямоугольное в плане, в конструктивном отношении представляет полный металлический каркас, а Торжественный зал, где сконцентрированы самые большие нагрузки и отмечены наибольшие осадки, в том числе и неравномерные, представляет из себя также полный металлический каркас с продольными и поперечными связями.

Рис. 2 Размещение МЦ, объектов инженерной защиты, оползней и городской инфраструктуры на волжском склоне

Условные обозначения:

Л-----1----К

■«—н-

-*+■

Аптскзя штольня Граница застройки Граница оползневой зоны

Тепловые сети Канализационные сстн

31

Дренажи, коллекторы, водокыпуски Прорези со смотроными колодцами Лотки Канавы

Территория, охваченная оползнем (номер по общему каталогу)

куйвытспскос водохранилище

Фундаменты под несущие наиболее загруженные конструкции, в частности под неравномерно деформирующиеся колонны Торжественного зала, выполнены в виде кустов буронабивных свай 118 см в диаметре, по четыре штуки в кусте. Сваи выполнялись по технологии «Бено-то» с применением буровой техники этой же фирмы. План фундаментов из буронабивных свай в составе МЦ представлен на рис. 3.

мемориальный цензу

^ ігЬ 6- ^-1^—£* £ ^

Зона малоняг-

ружонных

фундаментов

8

Рис. 3. План фундаментов из буронабивных свай под

здание МЦ

Низ ростверка фундаментов под колонны Торжественного зала располагается на отметке

177.00, а низ буронабивных свай, длиной 13 м, размещается на абс. отметке 164.00. Буронабивные сваи опираются на слой глины сероватобурой, трещиноватой (рис. 4).

Рис. 4. Геолою-литологический разрез по скважинам 1.2,3, проходящий через середину здания МЦ параллельно оползневому склону

Условные обозначения

(Ї) Насыпной слой ® Глина серовато-бурая зрешиноватая

© Мергель сильно выветрелый © Глина тсмносерая гшоп.ая

зрещиноватыи

(^) Песок глинистый водонасыщенный

скв 1 В числителе - номер разводочной скважины.

177.92 в знаменателе - абсолютная отметка устья

£

Безнапорный водоносный горизонт 5? и абсолютная отметка его уровня £

Установившейся уровень подземных вод в скважине

X.

Установившейся уровень подземных вод Кусты свай под Торжественный зал (ось Г)

По истечении четырёх лет после ввода МЦ в эксплуатацию в его конструкциях были отмечены значительные, превышающие предельные, деформации, начавшиеся ещё в начальной стадии строительства, и которые продолжали активно нарастать в дальнейшем (рис. 5).

Рис. 5. Динамика загружения несущих конструкций МЦ (а) и осадок несущих колонн Торжественного зала (б) (ВЗ...Г4 - деформации фундаментов на пересечении продольных и поперечных осей)

Наличие осадок основания МЦ и увеличение их во времени вынудили провести дополнительные изучения геологического строения склона. Согласно результатам бурения, проведённого в 1974 году по створу, перпендикулярному к красной линии здания, обращённого к оползневому склону, была зафиксирована аномально большая мощность оползневых накоплений, где было отмечено, что:

- средняя часть склона сложена блоками нижнемеловых пород (апт-готериев), подошва которых полого наклонена к Волге и находится на глубине до 45 м от нынешней поверхности рельефа;

- в смещённых оползневых блоках отмечено наклонное залегание слоёв (в том числе и слоя 26 коренных пород (по Рогозину И. С.) [1]. Крутизна наклона смещённых слоев изменяется в пределах 15...40°, местами достигая 85°;

- вертикальные смещения оторвавшихся оползневых блоков нижнемеловых пород достигали 40 м. Простирание по ширине этих смещённых блоков не установлено, но может быть предположительно равно 25...30 м.

При проведении изыскательских работ в 1967 году на территории строительства было пробурено 5 разведочных скважин, в том числе на глубину 25...35...40,2 м. Всеми скважинами вскрыты практически адекватные по составу и мощности напластования, которые представлены на рис. 4.

Регулярный визуальный осмотр территории МЦ существенных признаков проявления оползневого процесса не дал, за исключением неинтенсивного сброса подземных вод (очевидно из водонесущих коммуникаций) на уровне 3...3,5 м от поверхности, которые растекаются по склону и просачиваются в грунт, снижая его устойчивость.

По данным глубинных реперов смещение плато за последние годы не привысило 6 мм, а средней и нижней частей вертикальные смещения составили 4...6 мм. Эти смещения не являются существенными и, однако, они свидетельствуют о том, что склон с поверхности находится в динамичном состоянии.

По данным исследования режима подземных вод в зоне МЦ можно отметить, что уровень их на этом участке склона повысился в среднем на 0,1...0,6 м. Это повышение касается постоянно обводнённой поверхностной зоны, что свидетельствует о том, что дренажная система в верхней части склона, очевидно, не справляется с водоотводом подземных, в том числе и техногенных, со стороны МЦ.

Изучение гидрогеологического режима подземных вод в основании МЦ и на оползневом склоне позволяет отметить, что установившийся уровень подземных вод от поверхности колебался от 4,40 м (скв. 3) до 5 м (скв. 1) (см. рис. 4).

Сравнение результатов, полученных при бурении разведочных скважин различными организациями в различное время, показывает высокое совпадение состава геологических разрезов.

В гидрогеологическом отношении площадка Мемориального центра представляет сложное строение. Грунтовые воды представлены четырьмя водоносными горизонтами (по Рогозину), верхний из которых располагается на отметке 158,0 м и питается водами р. Свияги. При изысканиях выявлено, что в разведочных скважинах вода находится на уровне 6... 13 м выше водоносного горизонта (158,0). При бурении производственных скважин под буронабивные сваи установившийся уровень подземных вод обнаружен на уровнях абсолютных отметок и приведен в табл. 1.

Таблица 1

^Примечание: Уровень подземных вод взяг на пересечении осей, где отмечены наибольшие осадки фундаментов, состоящих из четырёх буронабивных свай ф! 18 см. Прочерки обозначают отсутствие данных по журналам буровых работ.

По данным изысканий и по результатам производственного бурения можно отметить, что основанием свай являются твёрдые альбские глины в выветрелом трещиноватом состоянии.

Анализируя величину и характер деформации колонн Торжественного зала (см. рис. 3, 5), отмечаем, что они превысили предельно допустимые величины, согласно СНиП 2.02.01.83*, со времени начала монтажа конструкций и оборудования. По оси Г в 1,5 раза, а по оси А, при пересечении с осью 5 (рис. 6), - на 70%, что вызывает даже при жёстких конструкциях Ленинского зала, заметный крен, а неравномерные значительные деформации по оси А привели к треще-нообразованию в ограждающих конструкциях и выпадению облицовочных плит, что связано с относительной разностью осадок в точках 4Г и 4Д, вызывающих крен, равный 0,012, который значительно превышает предельную величину.

В журналах буровых работ, которые велись при бурении технологических скважин под буронабивные сваи системы «Беното» отмечено, что в отдельных скважинах вода отсутствует, а в некоторых - имеется. Устоявшийся горизонт её зафиксирован на отметках (164,00... 172,7 м).

Анализируя состояние уровня подземных вод, зафиксированного при бурении технологических скважин (рис. 4, табл. 1), отметим, что во многих случаях однозначности в показаниях не выявлено.

Исходное состояние основания под буронабивными сваями, полученное по данным изысканий и по материалам, приведенным в исполнительной документации, не позволяет сделать однозначный вывод о природе осадок здания. Для принятия квалифицированного решения по обеспечению безопасности объекта считаем необходимым провести комплексное обследование состояния конструкций Мемориального центра с приглашением представителей проектной организации, проектировавшей это здание, для анализа напряжённого состояния конструкций несущего каркаса и определения дополнительного объёма разведочного бурения в местах наибольшего деформирования. Это позволит более детально определить современное состояние здания и даст возможность выработать решение по обеспечению его безопасности, в том числе с учетом возможного влияния оползневого склона на деформации основания МЦ.

Наиме- нование попе- речных осей Наименование продольных осей

А Б в г д

3 172,7* 172,7 167,10 Нет -

нет нет 167.10 Нет •

нет нет 167,10 167,10 167,0

нет нет 167,10 167,10 165,0

4 172,7 172,7 170,10 165,10 164,00

нет нет 170,10 172,10 165.00 •

нет нет 170,10 172,00 -

нет нет 170,10 172,10 -

7 171,5 171,5 170,5 - -

169,1 169,7 170,5 - -

168,5 - 169,5 - -

- - т - -

ир

©

скв.4

Е

Д

-11

В

183

Гое

-77

>86

СКВ. 1

-29 +1

ШЛИ:

-26

1

-122

ВЗССЕЗ С

-17

-18

2?'.

-Б7

на

-24

-1:

-15

:~.ТТ::и,иЛ

-27

ТПТШХГ

-23 скв.2

ШЗХД

-28

скв.5

-34

-37

ТШпт пттптг 1ШППТ

-58 -85 *104

-29

-48

8

скв.З

Рис. 6. Эпюры осадок по осям здания Мемориального центра (осадки в пересечении осей здания приведены

в миллиметрах)

Одновременно необходимо получить дополнительные материалы детальных геоэкологических исследований, раскрывающих состояние грунта основания ниже плоскости опирания буронабивных свай, выявить влажность грунта и положение уровней подземных вод на рассматриваемом участке и возможное их движение в сторону оползневого склона с возможностью суффозионных проявлений в несущих грунтах основания.

После получения этих данных считаем возможным сделать окончательные выводы о природе неравномерных осадок несущих колонн МЦ. Имея в наличии эти выводы, представляется возможность разработать эффективные меро-

I

приятия по стабилизации неравномерных деформаций рассматриваемого объекта.

Однако, несмотря на предполагаемые детальные обследования состояния здания МЦ, нами проведена экспертная оценка причин возникно-

вения значительных и неравномерных деформаций сооружения.

Многие эксперты однозначно оценили, что несущая способность свай при расчёте была явно занижена, о чём свидетельствует резкое про-саживание свай при загружении в процессе строительства.

Часть экспертов отметила возможность нарушения технологии устройства

буронабивных свай, в том числе некачественную подготовку днища скважины.

Ряд экспертов отметил недостаточность данных инженерно-геологических изысканий, что, возможно, не позволило выявить прослой (линзу) слабого грунта в зоне наиболее интенсивных деформаций.

Таким образом, для обеспечения дальнейшей безопасной эксплуатации уникального для города Ульяновска сооружения, связанного с большим экономическим и социальным рисками, необходимо разработать эффективные меры по управлению этими рисками.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рогозин, И. С. Оползни Ульяновска и опыт борьбы с ними / И. С. Рогозин. - М. : Изд. АН СССР, 1961.

2. Научно-технический отчёт ПНИИИС Госстроя СССР, инженерно-геологические основы противооползневых мероприятий. Раздел: Оползни мемориальной зоны г. Ульяновска и инженерно-геологическое обоснование противооползневых мероприятий, 1968.

Тишин Валерий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «БЖД и промышленная экология». Имеет монографию, учебные пособия, отраслевые нормативные документы, изобретения и статьи в области обеспечения надёжности и безопасности при эксплуатации зданий и сооружений, возводимых в сложных геоэкологических условиях.