CC BY
26Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 624.131
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-5-3-7
А.Н. НАУМОВ1, канд. техн. наук, начальник отдела инженерно-геологических изысканий (a.naumov@ktbbeton.com); О.А. ГУСАРЬ2, бакалавр, В.В. БАЛАКИРЕВА2, бакалавр
1 АО «КТБ ЖБ» (109428, г. Москва, ул. 2-я Институтская, 6, стр. 15А) 2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
Проблемы оценки карстово-суффозионной опасности в г. Москве при выполнении инженерно-геологических изысканий
Карстовые процессы - процессы растворения горных пород поверхностными и подземными водами в Москве связаны с наличием в разрезе мощной толщи (свыше 300 м) водопроницаемых и растворимых карбонатных пород каменноугольного возраста. На большей территории Москвы каменноугольные отложения перекрыты мощной водонепроницаемой толщей юрских глин, четвертичных суглинков, кроме достаточно узких зон в центральной и западной части города, долины р. Москвы и р. Яузы, где каменноугольные отложения залегают под хорошо проницаемыми четвертичными песками и где карстовые процессы на глубине могут привести к образованию опасных провалов и неравномерных оседаний земной поверхности. Оценка устойчивости грунтового массива и прогноз образования провалов и неравномерных оседаний земной поверхности должны проводиться путем комплексного изучения геологических и гидрогеологических условий территории, характера техногенных воздействий с применением расчетных моделей, стационарных, режимных наблюдений. Решение проблемы карстово-суффозионной опасности на территории Москвы согласно нормативным документам в составе инженерно-геологических изысканий практически невозможно по ряду причин: сжатые сроки проведения работ, административные (изыскания в границах проектирования) и финансовые ограничения. При этом предложен экспресс-метод оценки, позволяющий в сжатые сроки получить достоверную информацию о карстово-суффози-онной опасности, более приближенную к реальности, чем присвоение категории устойчивости закарстованной территории с использованием расчетных методик, для которых диаметр карстового провала всегда больше нуля.
Ключевые слова: карстовые процессы, провалы, оценка карстово-суффозионной опасности, гидрогеологические условия, экспресс-метод.
Для цитирования: Наумов А.Н., Гусарь О.А., Балакирева В.В. Проблемы оценки карстово-суффозионной опасности в г. Москве при выполнении инженерно-геологических изысканий // Жилищное строительство. 2019. № 5. С. 3-7. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-5-3-7
A.N. NAUMOV1, Candidate of Science, Head of Engineering and Geological Survey (a.naumov@ktbbeton.com); O.A. GUSAR'2, Bachelor, V.V. BALAKIREVA2, Bachelor 1 JSC "Design-Technological Bureau of Concrete and Reinforced Concrete" (JSC "KTB RC") (Bldg. 15A, 6, 2-nd Institutskaya Street, Moscow, 109428,
Russian Federation)
2 National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)
Problems of Assessment of Karst-Suffusion Hazard in Moscow when Performing Engineering-Geological Surveys
Karst processes - the processes of dissolution of rocks by surface and groundwater in Moscow are associated with the presence of permeable and soluble carbonate rocks of coal age in the section of a powerful thickness (over 300 m). In most of Moscow, coal deposits are covered with a powerful waterproof layer of Jurassic clays, Quaternary loams, except for rather narrow areas in the Central and Western parts of the city, the valleys of the Moscow river and the Yauza river, where coal deposits lie under well-permeable Quaternary sands, and where karst processes at depth can lead to the formation of dangerous dips and uneven subsidence of the earth's surface. Assessment of the stability of the soil massif and the forecast of formation of sinkholes and uneven subsidence of the earth's surface should be carried out by a comprehensive study of geological and hydro-geological conditions of the territory, the nature of anthropogenic impacts using computational models, stationary, regime observations. The solution of the problem of karst-suffusion hazard in Moscow according to normative documents as part of engineering-geological surveys is almost impossible for a number of reasons: a short time of work execution, administrative (research within the design boundaries) and financial constraints. At the same time, an assessment express method is proposed, which makes it possible to obtain reliable information about the karst-suffusion hazard in a short time, more approximate to reality than the assignment of the category of stability of the karst territory using calculation methods for which the diameter of the karst hole is always greater than zero.
Keywords: karst processes, sinkholes, assessment of karst-suffusion danger, hydro-geological conditions, express method.
For citation: Naumov A.N., Gusar'O.A., Balakireva V.V. Problems of assessment of karst-suffusion hazard in moscow when performing engineering-geological surveys. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 5, pp. 3-7. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-5-3-7
5'2019
3
Подземное строительство
Карстовый процесс - это процесс растворения горных пород поверхностными и подземными водами. Геоморфологические формы, которые образуются в результате этого процесса, называются карстовыми формами.
Карстовые процессы в Московском регионе связаны с наличием в разрезе свыше 300 м водопроницаемых и растворимых карбонатных пород каменноугольного возраста. Глубина залегания известняков, по данным из фондов АО «КТБ ЖБ» от 8-10 м (ЦАО, ул. 2-я Магистральная, 9), до 100-120 м на юге Москвы [1-3].
Развитие карстовых процессов в каменноугольных отложениях происходило наиболее интенсивно во время длительных континентальных перерывов. Когда большая часть территории представляла собой сушу, происходило существенное изменение рельефа, размыв ранее отложенных пород, образование глубоких речных врезов с проникновением в толщу известняков пресных вод. Как следствие, изменения в толще карбонатных пород (закарстованные трещины, каверны, полости разных размеров, разрушение до дресвы и щебня) и развитие на поверхности скальных массивов воронок и карстовых форм. В последующее геологическое время происходило накопление отложений песчано-глинистых пород, далее снова их неравномерный размыв и интенсивное карстообра-зование, заложение глубоко врезанных речных долин, которые снова заполнялись песчано-глинистым материалом. Таким образом, повышенная закарсто-ванность карбонатных пород приурочена к погребенным речным долинам и притокам.
Современная гидрографическая сеть имеет схожую пространственную направленность с наиболее интенсивным развитием карстовых процессов. В настоящее время на большей территории г. Москвы каменноугольные отложения перекрыты мощной толщей юрских глин, четвертичных суглинков, кроме достаточно узких зон в центральной и западной части города, долины рек Москвы и Яузы, где каменноугольные отложения залегают под хорошо проницаемыми четвертичными песками. Питание каменноугольных водоносных горизонтов осуществляется южнее и юго-западнее г. Москвы (в долине р. Пахры), где водовмещающие карбонатные породы выходят на поверхность или залегают неглубоко. Их разгрузка происходит в основном через четвертичные песчаные отложения в пределах долины р. Москвы. Карстовый процесс развивается исключительно при взаимодействии карбонатных пород с водой, основным источником питания подземных вод служат атмосферные осадки. По пути фильтрации в карбонатных отложениях к области разгрузки агрессивные подземные воды достигают равновесия
4| -
Научно-технический и производственный журнал
с карбонатом кальция и теряют способность его растворять. Поэтому в естественных условиях, до начала интенсивной эксплуатации каменноугольных водоносных горизонтов, техногенных и антропогенных воздействий, полностью отсутствовали условия для развития современных карстовых процессов [4].
Итак, карстовые процессы на глубине могут привести к образованию опасных провалов и неравномерных оседаний земной поверхности.
В настоящее время достоверно известные карстовые провалы зафиксированы на северо-западе Москвы, в районе Хорошевского шоссе. Поперечники известных провальных воронок изменяются от первых метров до 40 м, глубина - от 1,5 до 5-8 м, иногда и больше в зависимости от геолого-гидрогеологических условий. Наиболее крупные провалы приурочены, как правило, к участкам с определенным типом геологического строения, на которых скорость оседания земной поверхности превышает среднюю скорость оседания в 2-3,5 раза (С.И. Петренко) [4].
По инженерно-геологическим условиям не исключена возможность карстовых провалов и в центральной части Москвы на участках, приуроченных к доледниковым погребенным долинам рек Москвы, Яузы и их притокам.
Процесс карстового провала обычно происходит следующим образом. В результате снижения уровней подземных вод в каменноугольных отложениях и, как следствие, изменения направления и интенсивности движения воды происходит вынос заполнителя карстовых полостей. Наличие гидравлической связи с водоносным горизонтом, насыщающим аллювиальные и флювиогляциальные четвертичные отложения, обеспечивает нисходящую фильтрацию через слабопроницаемую глинистую толщу небольшой мощности. Суффозионно-неустойчивые водо-насыщенные пески и глинистые частицы выносятся в карстовые полости, и происходит оседание земной поверхности.
Оценка устойчивости грунтового массива и прогноз образования провалов и неравномерных оседаний земной поверхности должны проводиться путем комплексного изучения геологических и гидрогеологических условий территории, характера техногенных воздействий с применением расчетных моделей, стационарных, режимных наблюдений.
Нормативным документом для оценки карсто-во-суффозионной опасности на сегодняшний день является СП 11-105-97 «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов» [5].
Далее приведем ряд требований и рассмотрим возможность их реализации.
^^^^^^^^^^^^^ |5'2019
—------ ЖИЛИЩНОЕ ---
строительство
Научно-технический и производственный журнал
Скважины для изучения карстово-суффозионных процессов на площадке строительства необходимо проходить на всю мощность закарстованной зоны, с заглублением не менее чем на 5 м в незакарстован-ные породы.
Это требование можно признать достаточно странным, учитывая, что на водораздельных территориях г. Москвы глубина залегания кровли каменноугольных отложений может превышать 100-120 м.
В районах с покрывающей толщей, сложенной нерастворимыми, преимущественно глинистыми водонепроницаемыми породами, необходимо изучать и оценивать степень их водонепроницаемости и защитную способность в отношении проявления карста на земной поверхности. При мощности толщи, обеспечивающей защиту от возможности проявления карста на земной поверхности, допускается не вскрывать буровыми скважинами карстующиеся породы, ограничиваясь проверкой надежности защитного водоупора.
Отсутствие методики в нормативных документах по определению мощности водонепроницаемой толщи, исключающей образование провала, делает это допущение ничтожным.
Закарстованные территории по степени устойчивости для строительства подразделяются на шесть категорий по показателю интенсивности провало-образования, численно равному среднегодовому количеству провалов на 1 км2 [5]:
• VI - устойчивая (возможность провалов исключается);
• V - относительно устойчивые (А < 0,01);
• IV - с несколько пониженной устойчивостью (А=0,01-0,05);
• III - недостаточно устойчивые (А = 0,05-0,1);
• II - неустойчивые (А = 0,1-1);
• I - очень неустойчивые (А > 1). Закарстованные территории в [5] также разделяются на категории устойчивости в зависимости от средних диаметров d карстовых провалов и локальных оседаний:
• А - d > 20 м;
• Б - d = 10-20 м;
• В - d = 3-10 м;
• Г - d < 3 м.
Определение значений показателей, требуемых для отнесения территории или ее части к той или иной категории, весьма затруднено.
Для детального районирования территории по категориям устойчивости на основе достоверных значений показателя интенсивности провалообразования требуется время оценки не менее 20 лет и площадь не менее 5 км2. Отсутствие таких данных не позволяет в рамках инженерно-геологических изысканий
52019 ^^^^^^^^^^^^^
определить показатель интенсивности провалообра-зования.
Из-за несовершенства расчетных методик [6] и неопределенности отнесения того или иного поверхностного проявления к конкретному виду определение категории устойчивости в зависимости от средних диаметров карстовых провалов весьма неоднозначно.
Также согласно [5] необходимо выполнение детальных гидрогеологических исследований, проведение стационарных гидрогеологических и гидрометеорологических наблюдений в течение не менее одного года, применение геофизических полевых методов: наземных (зондирование и профилирование); при бурении скважин (каротаж); при гидрогеологических исследованиях (изучение путей и скоростей движения карстовых вод) и многое другое.
Практика выполнения оценки карстово-суффози-онной опасности при проведении инженерно-геологических изысканий свидетельствует о том, что внедрение в производство этих научных разработок часто имеет отрывочный характер. В силу сжатых сроков, административных и финансовых ограничений, вместо полноценного комплекса работ, направленного на разработку проекта фундаментного основания, обеспечивающего минимизацию геологических рисков при одновременном сокращении экономических и временных затрат, выполняется расчет возможного диаметра карстового провала по общепринятым методикам. Таким образом, работы при проведении инженерно-геологических изысканий практически не соответствуют требованиям, и в результате в проект закладываются заведомо недостоверные данные, к которым применяются завышенные коэффициенты запаса, призванные исключить строительные риски. Это приводит к существенному удорожанию проекта и увеличению сроков строительства.
Еще одна тема, связанная с выполнением оценки карстово-суффозионной опасности, - проблема применения геоинформационных систем и технологий компьютерного моделирования. Многими изыскателями подчеркивается необходимость использования огромных массивов фондовой информации, накопленной в результате многолетней истории проведения инженерно-геологических изысканий на территории города, для чего необходима их систематизация и обобщение, переведение в цифровой вид.
Проблема карстово-суффозионной опасности на территории г. Москвы существует. Однако ее решение в составе инженерно-геологических изысканий в соответствии с нормативными документами [7-9], в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности
- 5
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
зданий и сооружений», практически невозможно по ряду причин: сжатые сроки проведения работ, административные (изыскания в границах проектирования) и финансовые ограничения.
Предлагается экспресс-метод по оценке карстово-суффозионной опасности. Он заключается в следующем:
1. Производится бурение двух скважин с заглублением 5-10 м в каменноугольные отложения.
2. Выполняется расчет критического радиуса ослабленной зоны, при котором многослойная пес-чано-глинистая толща будет находиться в предельно устойчивом состоянии.
Согласно предложенной В.М. Кутеповым [10] оценке устойчивости закарстованных территорий методом анализа напряженного состояния массивов горных пород, устойчивое состояние массивов пород над ослабленными зонами (карстовыми полостями) будет обеспечено, если удерживающие силы N равны или больше сдвигающих T сил:
N > T.
Отношение удерживающих сил к сдвигающим оценивается коэффициентом устойчивости K массива пород по формуле:
K = N/T.
Определение коэффициента устойчивости основано на анализе закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массивов пород, расчете сдвигающих и удерживающих сил и выявлении соотношения между ними в толще пород, перекрывающих ослабленную зону. Сдвигающие силы соответствуют давлению перекрывающей толщи на кровлю ослабленной зоны. Удерживающие силы равняются произведению площади эпюр бокового давления (в глинистых породах с учетом удельного сцепления) на длину окружности, радиусом которой является радиус вращения общего центра тяжести эпюр вокруг цилиндра [10].
3. Оценивается механическая суффозионная устойчивость песков по методике ВНИИГ [11]. Принимается, что без ущерба для конструкции здания из грунта могут быть вынесены самые мелкие частицы, количество которых не превышает 3-5 мас. %.
4. Проводятся геофизические исследования (например, профилирование МОВ-ОГТ, межскважинное просвечивание), направленные на выявление аномальных зон, потенциально связанных с зонами развития карстово-суффозионных процессов.
В случае обнаружения потенциально опасных карстовых структур в каменноугольных отложениях производится дополнительное бурение с целью их изучения и при необходимости проведения каротажа.
б| -
5. На основании выполненных буровых работ, геофизических исследований и аналитических расчетов дается оценка карстово-суффозионной опасности.
Предложенный комплекс исследований и расчетов не является исчерпывающим, однако он выполним в рамках инженерно-геологических изысканий и позволяет в сжатые сроки получить достоверную информацию о карстово-суффозионной опасности, более приближенную к реальности, чем присвоение категории устойчивости закарстованной территории с использованием расчетных методик, для которых диаметр карстового провала всегда больше нуля.
Список литературы
1. Технический отчет. Инженерно-геологические условия площадки по адресу: г. Москва, ул. 2-я Магистральная, д. 9. М.: ОАО «КТБ ЖБ», 2012.
2. Технический отчет. Инженерно-геологические изыскания на участке строительства по адресу:
г. Москва, ТиНАО, поселение Сосенское, вблизи
д. Столбово, уч. 27, корп. 1-6. М.: ОАО «КТБ ЖБ», 2013.
3. Технический отчет. Инженерно-геологические изыскания для разработки проектной документации для объекта: Жилой комплекс с подземной автостоянкой, учебным центром по адресу: г. Москва, ул. Новочеремушкинская, вл. 17. М.: АО «КТБ ЖБ», 2017.
4. Москва. Геология и город / Под ред. В.И. Осипо-ва и О.П. Медведева; РАН, Институт геоэкологии; Мосгоргеотрест. М.: Московские учебники и кар-толитография, 1997. 398 с.
5. СП 11-105-97 Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004.
6. Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях. М.: НИИОСП, 1985.78 с.
7. СП 47.13330.2012 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М.: Минре-гион России, 2013.
8. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. (Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*). М.: Минрегион России, 2011.
9. СП 116.13330.2012 Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. (Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003). М.: Минрегион России, 2012.
10. Кутепов В.М. Оценка устойчивости закарстован-ных территорий методом анализа напряженного
^^^^^^^^^^^^^ |5'2019
Научно-технический и производственный журнал
состояния массивов горных пород. М.: ЦП НТГО, 1986. 68 с.
11. П 12-83 Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость. Л.: ВНИИГ, 1983.
References
1. Tekhnicheskii otchet. Inzhenerno-geologicheskie us-loviya ploshchadki po adresu: g. Moskva, ul. 2-ya Magistral'naya, d. 9 [Technical report. Engineering and geological conditions of the site at the address: Moscow, st. 2 nd trunk, 9]. Moscow: OAO «KTB ZhB», 2012. (In Russian).
2. Tekhnicheskii otchet. Inzhenerno-geologicheskie izys-kaniya na uchastke stroitel'stva po adresu: g. Moskva, TiNAO, poselenie Sosenskoe, vblizi d. Stolbovo, uch. 27, korp. 1-6 [Technical report. Engineering and geological surveys on the construction site at the address: Moscow, TINAO, Sosenskoye settlement, near the village of Stolbovo, uch. 27, Bldg. 1-6]. Moscow: OAO «KTB ZhB», 2013. (In Russian).
3. Tekhnicheskii otchet. Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya razrabotki proektnoi dokumentatsii dlya ob"ekta: Zhiloi kompleks s podzemnoi avtos-toyankoi, uchebnym tsentrom po adresu: g. Moskva, ul. Novocheremushkinskaya, vl. 17 [Technical report. Engineering and geological surveys for the development of project documentation for the object: Residential complex with underground parking, training center at the address: Moscow, ul. Novocheryomush-kinskaya, ow. 17]. Moscow: AO «KTB ZhB», 2017. (In Russian).
4. Moskva. Geologiya i gorod / Pod redaktsiei V.I. Osi-pova i O.P. Medvedeva; RAN, Institut geoekologii; Mosgorgeotrest [Moscow. Geology and the city / edited by V.I. Osipova and O.P. Medvedev; RAS, Institute of Geoecology; Mosgorgeotrest]. Moscow: Moscow textbooks and Cartolithography, 1997. 398 p.
5. SP 11-105-97 Inzhenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. Chast' II. Pravila proizvodstva rabot v raionakh razvitiya opasnykh geologicheskikh i inzhen-erno-geologicheskikh protsessov [The code of Rules 11-105-97 Engineering and geological surveys for construction. Part II. Rules of work in the areas of dangerous geological and geotechnical processes]. Moscow: Gosstroi Rossii, GUP TsPP, 2004. (In Russian).
6. Rekomendatsii po proektirovaniyu fundamentov na zakarstovannykh territoriyakh [Recommendations for the design of foundations in karst areas]. Moscow: NIIOSP, 1985. 78 p.
7. SP 47.13330.2012 Inzhenernye izyskaniya dlya stroitel'stva. Osnovnye polozheniya [The code of Rules 47.13330.2012 Engineering surveys for construction.
5'2019 ^^^^^^^^^^^^^
Main provisions]. Moscow: Minregion Rossii, 2013. (In Russian).
8. SP 22.13330.2011 Osnovaniya zdanii i sooruzhenii. (Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.02.01-83*) [The code of Rules 22.13330.2011 Foundations of buildings and structures. (Updated edition of SNiP 2.02.01-83*)]. Moscow: Minregion Rossii, 2011. (In Russian).
9. SP 116.13330.2012 Inzhenernaya zashchita territorii, zdanii i sooruzhenii ot opasnykh geologicheskikh protsessov. Osnovnye polozheniya (Aktualizirovan-naya redaktsiya SNiP 22-02-2003) [The code of Rules 116.13330.2012 Engineering protection of territories, buildings and structures from dangerous geological processes. The main provisions (Updated edition of SNiP 22-02-2003)]. Moscow: Minregion Rossii, 2012. (In Russian).
10. Kutepov V.M. Otsenka ustoichivosti zakarstovannykh territorii metodom analiza napryazhennogo sostoy-aniya massivov gornykh porod [Assessment of the stability of karst areas by analyzing the stress state of rock massifs.]. Moscow: TsP NTGO, 1986. 68 p.
11. P 12-83 Rekomendatsii po metodike laboratornykh ispytanii gruntov na vodopronitsaemost' i suffozion-nuyu ustoichivost' [P 12-83 Recommendations on the method of laboratory testing of soils for water permeability and suffusion resistance]. Leningrsd: VNIIG, 1983.
Монография
Производство ■И||| деревянных
клееных ^HH
конструкций
Автор - заслуженный деятель науки России, д-р техн. наук Ковальчук Л.М.
В книге рассмотрены основные вопросы технологии изготовления ДКК, показаны области их применения, описаны материалы для их изготовления. Особое внимание уделено вопросам оценки качества, методам испытаний, приемке и сертификации клееных конструкций. В книге приведен полный перечень отечественных и зарубежных нормативных документов, регламентирующих производство и применение ДКК
Тел.: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: mail@rifsm.ru
7
