Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Инженерно-геологическая и гидрогеологическая характеристика и оценка подземного пространства города как среды развития геологических процессов 7
1.1. Особенности структурно-тектонических и геологических условий в подземном пространстве 7
1.2. Гидродинамическая и гидрохимическая характеристика водоносных горизонтов разреза города 25
1.3. Специфика состава, состояния и физико-механических свойств четвертичных и коренных пород разреза города 33
1.4. Природные экзогенные процессы в подземном пространстве города 44
Глава 2. Влияние экологического состояния подземного пространства городской инфраструктуры на развитие природно-техногенных процессов 62
2.1. Основные источники загрязнения подземного пространства города 64
2.2. Влияние органических контаминантов на изменение физико-химических и биохимических условий в подземном пространстве 74
2.3. Воздействие неорганических загрязнителей на подземные воды и песчано-глинистые грунты 84
2.4. Изучение влияния гидродинамических условий на напряженно-деформированное состояние массива пород и миграцию загрязняющих компонентов 92
Глава 3. Характеристика и оценка природно-техногенных экзогенных процессов в подземном пространстве Санкт-Петербурга 105
3.1. Развитие неравномерных осадок зданий и сооружений на первом уровне освоения подземного пространства 105
3.2 Преобразование песчано-глинистых пород под влиянием хозяйственно бытовых стоков как природно-техногенный процесс снижения несущей способности грунтов 125
3.3. Особенности процесса биохимического газообразования при интенсивном загрязнении 146
3.4 Фильтрационные деформации на откосах рек и каналов 153
3.5 Оползневые деформации на откосах рек и каналов 157
3.6 Развитие неравномерных деформаций сооружений на втором уровне освоения подземного пространства 172
3.7 Исследование биокоррозионной агрессивности подземной среды по отношению к строительным материалам 177
Глава 4. Рекомендации по предотвращению и снижению негативных последствий развития и/или активизации экзогенных процессов при освоении подземного пространства 199
4-1. Краткая история развития системы водоотведения и инженерно геологические аспекты возможности снижения загрязнения подземного пространства 199
4.2. Превентивные мероприятия по предупреждению развития природно-техногенных процессов при освоении подземного пространства 213
4.3. Рекомендации по предотвращению развития коррозии строительных материалов в подземном пространстве 233
Заключение 244
Библиографический список 251
Приложение 267
- Особенности структурно-тектонических и геологических условий в подземном пространстве
- Изучение влияния гидродинамических условий на напряженно-деформированное состояние массива пород и миграцию загрязняющих компонентов
- Оползневые деформации на откосах рек и каналов
- Рекомендации по предотвращению развития коррозии строительных материалов в подземном пространстве
Введение к работе
Актуальность работы. Многоуровневое освоение поземного пространства (ПП) мегаполисов, к числу которых относится Санкт-Петербург, находится в тесной связи с проблемой снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф согласно приказу № 577 от 30.03.2002 президента РФ. Включение в 1990 году исторического центра города в список объектов культурного наследия, охраняемых ЮНЕСКО, требует проведения мероприятий по сохранению архитектурно-исторических памятников, многие из которых испытывают неравномерные осадки. Санкт-Петербург относится к городам, для которых характерны сложные инженерно-геологические, гидрогеологические и геоэкологические условия, что необходимо учитывать при проектировании, строительстве, эксплуатации и реконструкции наземных и подземных сооружений.
Специфика инженерно-геологической и геоэкологической обстановки и степень освоения ПП города предопределяет интенсивное развитие геологических процессов как природного, так и природно-техногенного генезиса. Изучение закономерностей возникновения и динамики развития таких процессов ведется непланомерно и носит случайный характер. Следовательно, на настоящем этапе возникает необходимость комплексного исследования различных экзогенных процессов и разработки мероприятий, предупреждающих их развитие, что способствует повышению надежности функционирования наземных и подземных сооружений.
Цель работы. Комплексное изучение природных и техногенных факторов, определяющих возникновение и динамику развития геологических процессов в ПП Санкт-Петербурга для повышения безопасности строительства, эксплуатации и реконструкции сооружений различного назначения.
Основные задачи исследований: 1) качественная и количественная оценка влияния природных и техногенных факторов на особенности развития и/или активизации геологических процессов в ПП Санкт-Петербурга; 2) специфика развития геологических процессов, определяющих условия строительства, функционирования и реконструкции наземных и подземных сооружений; 3) характеристика и систематизация экзогенных процессов с учетом изменения напряженно-деформированного состояния пород, гидродинамических, физико-химических условий и микробной пораженности пород в ПП Санкт-Петербурга; 4) совершенствование кардинальных и превентивных мероприятий по предупреждению развития экзогенных процессов в ПП с целью повышения безопасности его освоения и использования.
Фактический материал и личный вклад автора. Диссертационная работа подготовлена на основе многолетних инженерно-геологических и геоэкологических исследований подземного пространства Санкт-Петербурга, проводимых кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ(ТУ), в которых автор работы принимал участие, начиная с 2000 года. Автором диссертационной работы были выполнены теоретические и экспериментальные исследования по изучению природы негативного преобразования песчано-глинистых пород в ПП города, установлению закономерностей развития оползневых смещений, фильтрационных деформации на откосах рек и каналов, неравномерных осадок некоторых архитектурно-исторических памятников и гражданских зданий, деформаций и разрушений тоннельных конструкций, а также биокоррозионной агрессивности подземной среды. Автор диссертационной работы внедрил биохимический метод определения бактериальной массы в практику научных лабораторных исследований на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ(ТУ).
Основные методы исследований: 1) теоретические исследования формирования и преобразования состава, состояния, физико-механических свойств песчано-глинистых пород, динамики развития природных и природно-техногенных геологических процессов; 2) экспериментальные работы по изучению техногенеза подземных вод и песчано-глинистых грунтов под воздействием изменения физико-химических и биохимических условий; 3) расчетные методы по оценке длительной устойчивости сооружений в условиях преобразования прочности, деформационной способности, напряженного состояния грунтовых массивов.
Научная новизна. Установлены тенденции развития экзогенных геологических процессов в ПП на основе анализа особенностей формирования и эволюции преобразования состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых пород под воздействием комплекса природных и техногенных факторов, что дает возможность разработать мероприятия по обеспечению безопасного функционирования, строительства и реконструкции наземных и подземных сооружений.
Практическая значимость. Выполненные исследования по установлению и систематизации экзогенных процессов, а также разработанные рекомендации по снижению негативных последствий их проявления, позволяют решить ряд конкретных задач по обоснованию устойчивости наземных и подземных сооружений с учетом геоэкологических факторов. Разработанная систематизация процессов будет рекомендована для внедрения в территориальные строительные нормы для Санкт-Петербурга и административно подчиненных ему регионов. Результаты анализа особенностей развития экзогенных процессов и их влияния на устойчивость сооружений были использованы при оценке условий строительства, эксплуатации, реконструкции и устранения аварийных ситуаций на некоторых гражданских, промышленных и транспортных объектах Санкт-Петербурга.
Достоверность научных положений и выводов. В диссертационной работе использован большой объем теоретических и экспериментальных исследований по установлению природы и характера развития различных экзогенных геологических процессов, которые проводились на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ(ТУ) при участи автора по темам, заключенным с Министерством природных ресурсов РФ, Министерством образования и науки РФ, мэрией Санкт-Петербурга в 2000 – 2002 гг., в рамках научно-технической программы развития высшей школы Санкт-Петербурга по теме «Разработка научно-практических основ комплексного геоэкологического мониторинга подземного пространства Санкт-Петербурга с целью повышения безопасности его освоения и использования в сложных природно-техногенных условиях» в 2003 г., а также персональных грантов Минобразования РФ в 1999, 2002, 2003 гг., Соросовской международной программы образования в области точных наук в 2003 г. и американского фонда гражданских исследований и разработок (CRDF) для аспирантов 2006 и 2007 гг.
Апробация работы и публикации. Основные положения, изложенные в диссертации, освещались на 9 научных конференциях: V Международная экологическая студенческая конференция «МЭСК-2000», Новосибирск, 2000 г.; Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Геологи XXI века», Саратов, 2002 г.; Молодежная конференция «2-е Яншинские чтения», Москва, 2002 г.; Молодежная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения» Москва, 2003 г.; Международная конференция по геотехнике «Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство», Санкт-Петербург, 2003 г.; Второй международный симпозиум «Природные условия строительства и сохранения Православной Руси», Сергиев Посад, 2003 г.; Ежегодная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых СПГГИ «Полезные ископаемые и их освоение», Санкт-Петербург., 2000, 2001 ,2002 ,2006 гг.; Всероссийская научно-практическая конференция «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий», Екатеринбург, 2006 г.; Международная научно-методическая конференция «XII Научные чтения имени профессора Н.И. Толстихина», 2006 г.
По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, 11 из которых приведены в списке основных публикаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 180 машинописных страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 159 наименований, содержит 53 рисунка, 40 таблиц, 11 фото и 1 приложение.
Особенности структурно-тектонических и геологических условий в подземном пространстве
Структурно-тектонические условия региона имеют принципиальное значение при изучении подземного пространства Санкт-Петербурга с точки зрения его освоения и использования в различных целях. Существуют различные точки зрения на развитие тектонической активности региона и ее влияние на формирование определенных структур [28,103,76,13]. Согласно исследованиям B.C. Кофмана (1993) основные особенности геологического развития территории северо-запада Восточно-Европейской платформы определяют тектонические структуры осадочного чехла, где «...каждое структурное подразделение чехла представляет собой сложную систему пликативных и дизъюнктивных дислокаций с зажатыми между ними блоками, парагенети-чески связанных между собой причинно-следственными связями» (86,с.49). Рассматриваемая территория является одной из наиболее тектонически активных зон на Восточно-Европейской платформе, расположенной в пределах «...сочленения Балтийского щита и Русской плиты...» (86, с.50), где как показывают многочисленные наблюдения, достаточно интенсивно проявилась разломная тектоника. [86] Особенности тектонических структур на Северо-западе Русской плиты определяются основными циклами орогенеза: байкальским, каледонским, герцинским и альпийским, в формировании которых играли роль как движения в пределах Балтийского щита, так и в глубинах Московской синеклизы. В период дифференцированного погружения территории в байкальское время, сопровождавшегося развитием деструктивных процессов с образованием грабеноподобных структур и активной магматической деятельностью, получили развитие рифейские породы, залегающие с резким несогласием на денудированной поверхности пород кристаллического фундамента, а также отложения вендского моря, формирование которых происходило на фоне общего воздымания территории до начала котлинского времени, о чем свидетельствуют небольшие мощности венда на территории вблизи выступов фундамента. В каледонский период территория была выведена в субаэральное положение в результате активизации субширотного разлома, протягивающегося от Пашского грабена в восточном направлении южнее Онежского озера и вдоль северной границы Вологодской области, выше которого простиралась обширная область размыва вендских отложений и развития кембрийского моря. Медленные поднятия территории Санкт-Петербургского региона в каледонский период сопровождались проявлением многочисленных локальных структур, приуроченных к зоне глубинного северо-восточного разлома (направление пос. Сиверский - Ладожское озеро) и заключенных в осадочном чехле вблизи от поверхности кристаллического фундамента, отражая медленные движения отдельных его блоков. Выведенная в субаэральное положение поверхность отложений разреза, сформировавшихся в каледонское время, вплоть до начала плейстоцена были подвергнуты процессу денудации. Тектоническая активность в пределах южного и юго-восточного обрамления Балтийского щита продолжалась в герцинское время, и ознаменовалась последовательным, ступенчатым подъемом территории от «зоны сочленения» вглубь Московской синеклизы, а также активизацией дизъюнктивной тектоники в большинстве зон, заложенных еще в байкальском этапе. На заключительной стадии альпийского этапа сформировалась денудационно-тектоническая структура ордовикского глинта, а в «зоне сочленения» образовалась система грабенов, в которую вошли впадины Финского залива, Ладожского и Онежского озер. К этой же стадии относится активизация дизъюнктивных зон, пересекающих территорию Санкт-Петербурга в направлении от Финского залива, развитие которых по результатам анализа данных тепловых полей продолжается и в настоящее время. [28] Позднеп-лейстоценовые, голоценовые и современные тектонические движения впервые установлены и изучены в 18 веке [86]. В плейстоцене территория Санкт-Петербургского региона подвергалась материковым оледенениям, которые создали современный рельеф и, как считает ряд исследователей, во многом определили новейшие тектонические движения. Снятие нагрузки после таяния ледника приводило к поднятию - всплыванию земной коры в границах области покрытой льдом, что было установлено по деформациям береговых образований приледниковых водоемов Балтики. Дифференцированные движения на юго-восточном склоне Балтийского щита на фоне общего поднятия, в том числе и Ленинградской области, были установлены К.К. Марковым (1931,1934), О.М. Знаменской (1967,1970) на основе структурно-геоморфологического анализа.
По результатам дешифровки аэрофотоснимков (В.А.Буш и др., 1984) территория Санкт-Петербургского региона приурочена к зоне трансконтинентального субмеридионального Лапландско-Нильского линеамента с кинематикой сдвига и сжатия, а также субширотного Нарвско-Амур-Дарьинского линеамента. По данным А.И. Полетаева (1986) Санкт-Петербургский регион расположен в пределах пересечения северной оконечности субширотной Ботническо - Североуральской линеаментной зоны, южной границы северо-восточной Эгейско-Североуральской зоны и субмеридиональной Мраморно-Ладожской линеаментной зоны (рисунок 1.1) [76].
В пределах линеаментов обычно отмечаются геофизические и геохимические аномалии, наличие большого числа разломов в породах кристаллического фундамента, осадочной толщи, повышение сейсмической активности, а также природной радиоактивности.
Согласно современным исследованиям ФГУП «Севзапгеология» земная кора в пределах территории приустьевой части р. Невы испытывает опускание с амплитудой от 1,5 до 4,0 мм в год, что отражено на карте современных вертикальных движений земной коры Санкт-Петербурга в период с 1965 по 1994 гг., составленной в 2000 году (рисунок 1.2).
Представленная карта составлена по результатам нивелирования и дешифрирования аэрофотоснимков, и отражает общие вертикальные перемещения земной коры, которые могут быть связаны, как с природными тектоническая активность по дизъюнктивным разломам, так и техногенными факторами - интенсивная эксплуатация нижнекотлинского водоносного горизонта, что будет более подробно рассмотрено в главе 2.
Кроме того, на северо-западе Санкт-Петербургского региона по ряду геоморфологических признаков отмечаются сдвиговые деформации, величины которых варьируют от долей до 2 мм в год. (Никольский, 1997)
Последние геологические исследования территории Санкт-Петербурга и его окрестностей [13] показали наличие в кристаллических породах фундамента геодинамических систем, отличающихся сетью разрывных нарушений, которые сформировались в процессе геологического развития земной коры. Санкт-Петербург располагается в пределах Ленинградского блока с выраженной гравитационной положительной аномалией (рисунок 1.3). Крупным тектоническим элементом, определяющим структуру блока, служит региональный разлом северо-западного направления, который в пределах города прослеживается вдоль правого берега р. Нева. В пределах Санкт-Петербурга по обеим сторонам регионального разлома северо-западного направления отмечаются ряд более мелких разломов, субмеридиональных и северовосточных, северо-западных, приуроченных в плане к приустьевой части р. Нева. Сети указанных разломов в осадочном чехле унаследованы от структур пород фундамента и представлены относительно приподнятыми, либо опущенными ступенчатыми блоками. По разломам северо-восточного направления (азимут 30-70) фиксируются тектонические трещины, секущие толщу осадочных пород под углом 45-75, по которым отмечается смещение горизонтов осадочных пород до нескольких метров.
Изучение влияния гидродинамических условий на напряженно-деформированное состояние массива пород и миграцию загрязняющих компонентов
В пределах городских инфраструктур наблюдается интенсивное изменение режима подземных вод за счет понижения их уровня и, обезвоживания грунтов, либо повышения уровня подземных вод и дополнительного увлажнения грунтов. Изменение гидродинамического и химического режима подземных вод оказывает влияние на состояние и свойства грунтов и развитие ряда природно-техногенных геологических процессов.[84]
В Санкт-Петербурге наблюдается совместное действие как повышения уровня грунтовых вод за счет подтопления, обусловленного как природными (см. раздел 1.4) так и техногенными факторами, рост напоров в верхнем межморенном водоносном горизонте, нижнекотлинском водоносном горизонте, и временные локальные по площади понижения уровня грунтовых вод при ведении строительных работ, а так же долговременные понижения в период интенсивной эксплуатации нижнекотлинского водоносного комплекса.
Как показывают многочисленные наблюдения за инженерной деятельностью человека, связанной с откачкой подземных вод, снятием больших пластовых давлений при добыче нефти и газа, во многих районах наблюдается довольно значительное оседание земной поверхности. [29, 94] Ранее считалось, что деформации земной поверхности связаны с движением отдельных блоков земной коры, однако в 20 веке ученые обнаружили, что этому способствуют интенсивные откачки.
Оседания земной поверхности до нескольких метров сопровождаются повышением уровня грунтовых вод, затоплением низменных частей городских территорий, обводнением подвалов зданий, повреждением, а часто и разрушением подземных коммуникаций, в том числе канализационных коллекторов, трубопроводов, наблюдаются деформации жилых, промышленных, общественных зданий, мостов, портов, подпорных стенок набережных и других сооружений. О масштабах явления можно судить по таким примерам: в г. Токио оседание территории достигло 4 м, в Мехико - 9 м, в долине Сан-Хаокин (Калифорния, США) - 8,5 м. В меньшей степени оседание зарегистрировано во многих городах и районах в разных странах: в Венеции и дельте р. По, Пярну, Лондоне (6-32 см) и других городах. Максимальное оседание отмечено в г. Мехико, что не случайно и определяется инженерно-геологическими особенностями разреза - переслаиванием глин, илов, песков, галечников, известняков и других грунтов четвертичного возраста, причем большая осадка города происходит за счет сжатия водонасыщенных монтмориллонитовых глин. Оседание поверхности земли, измеренное по марке на здании ратуши Венеции составило от 1 до 5,1 мм в год, причем скорость оседания поверхности постепенно возрастала, до тех пока не были прекращены откачки подземных вод в промышленных пригородах Венеции. Например, в Москве по данным В.И. Просенкова (1974), в связи с неравномерным водоотбором и водопонижением в разных горизонтах Московского артезианского бассейна возникли неравномерные поэтажные градиенты напора, под влиянием которых наблюдалось восходящее и нисходящее перетекание, причем не только через водоносные толщи, но и через региональные водоупоры. Подобные процессы привели к изменению гидрохимических условий на глубину более 300 м. [84] В связи с водопонижением и обезвоживанием грунтов резко изменяется физическое состояние верхних слоев литосферы: термический, газовый, водный и геохимический режимы, что определяет нарушение сложившегося природного равновесия, наблюдается преобразование напряженно-деформированного состояния пород, физико-механических свойств как водовмещающих, так и водоупорных пород.
Уплотнение водовмещающих пород возможно при значительных понижениях уровня, когда уменьшается взвешивающее влияние воды, и возрастают эффективные напряжения. Увеличение давления на скелет породы составляет: =yBS, где (2.7) Ар - приращение давления на скелет породы, ув - плотность воды, S л- -величина водопонижения.
В напорных водоносных горизонтах снижение пьезометрического уровня на каждые 10 м вызывает увеличение давления вышележащих пород на водоносные и водоупорные толщи на 0,1 МПа. При возникновении градиентов напора в системе водоносных горизонтов, вызванных искусственным понижением уровня, возможен отток воды из водоупоров в направлении от больших давлений к меньшим, что вызывает процесс сжатия и уплотнения глинистых водоупорных слоев и последующее опускание земной поверхности. Теория процесса сжатия породы при ее дренировании рассмотрена в работах К.Терцаги (1933), Н.М. Герсеванова (1933-1937), В.А. Флорина (1933), Н.А. Цытовича (1940-1963), Н.В. Орнатского (1950,1962) и др. Величина осадки пород зависит не только от величины сил их вызывающих, но и от степени сжимаемости пород. Тонкодисперсные породы малой степени литификации характеризуются наибольшей деформируемостью. Переслаивание сжимаемых пород с хорошо фильтрующими породами ускоряет процесс дренирования пород при откачках, о чем свидетельствует величина осадки в г. Мехико.
Связь оседания поверхности с понижением напоров подземных вод обосновывается тесной корреляцией темпов обоих процессов и подтверждается экспериментальными данными. Так, например количественная оценка влияния эксплуатационных и строительных водопонижений была выполнена в конце 20-го века на 17 объектах в Москве на основании сопоставления расчетных и фактических осадок территории. (Снобкова А.И., 1968) Расчетные осадки оказались близкими к фактическим, установленным по карте вертикальных смещений (расчетные от 9 до 50 мм, фактические от 11 до 50 мм). Наибольшие осадки имели место при дренировании юрских глин (10-40 мм за 14 лет) и четвертичных песчаных отложений(3-35 мм), твердые и тугопластичные верхнекаменноугольные глины уплотнялись плохо (5-7 мм за 14 лет). В четвертичных песчаных породах различного генезиса при водопонижений на 10 м отмечается возрас 95 тание осадки вдвое (с 10 до 23 мм) с уменьшением модуля деформации в 1,5 раза с 22, 0 до 15,0 МПа. Осадка пласта верхнекаменноугольных глин мощностью 8 м при разных подопонижениях - 8 и 15 м - соответственно составила 2 и 7 мм.
Наблюдения за вертикальными движениями дневной поверхности в Санкт -Петербурге велись с начала 18 века и в период 1701 по 1864 гг. был установлен непрерывной подъем территории дельты р. Невы, что объяснялось поднятием земной коры (см. раздел 1.1). Начиная с 60-х годов 19 века подъем территории сменился опусканием, и в период 1911-1980 гг. по результатам сопоставления повторных нивелирований на территории города (Лившиц И.М., Шабаров А.Н., 1986) средняя скорость оседания не земной поверхности не превышала 0,5 мм/год. [141] Согласно карте современных вертикальных движений (см. рисунок 1.2) в Санкт-Петербурге в период с 1986 по 1994 гг. отмечается опускание территории в районе дельты р. Невы на 2,0-4,0 мм/год, на определенных локальных участках отмечаются поднятия до 1 мм/год, а также опускания со скоростью до 7-8 мм/год (левобережная часть р. Невы вблизи завода ЛИВИЗ (Синопская набережная, д. 56-58)), где действуют эксплуатационные скважины на нижнекотлинский водоносный горизонт. По всей видимости, вертикальные движения земной поверхности могут быть вызваны тектоническими факторами, а также техногенными, среди которых ведущую роль в период с 1861 по настоящее время занимает интенсивная и периодическая эксплуатация нижнекотлинского водоносного горизонта. Эксплуатация нижнекотлинского водоносного комплекса в довоенный период привела к образованию депресси-онной воронки с понижением уровня в ее центре до 22 м. За период войны 1941-45 гг. уровни восстановились практически до первоначальных отметок. (см. рисунок 1.8) В дальнейшем на режим уровня подземных вод нижнекотлинского водоносного горизонта существенное влияние оказывала возобновившаяся в 1945-46 гг. интенсивная их эксплуатация для водоснабжения, в том числе, промышленных предприятий, что способствовало систематическому понижению уровня горизонта.
Теоретические расчеты величины оседания земной поверхности города к 1966 году показали величины, не превышающие нескольких сантиметров для центральной части депрессии (П.М. Гасс, 1966). Дальнейший период изменения уровней с 1965 г по 2003 г характеризуется как снижениями, так и подъемами. Необходимо рассмотреть период с 1967-76 гг., когда шло преимущественно понижение уровней, что могло повлиять на развитие оседания поверхности. Механизм развития оседания в период стабильного восстановления уровня 1976-1985 гг. пока не ясен, но допустимо предполагать, что он будет отличен от периодов «понижений» прежде всего по длительности самого процесса, в связи с этим в расчете осадки этот период, как менее значимый, учитываться не будет. Таким образом, исходя из представлений о синхронном водопонижении и деформациях перекрывающих пород, наиболее представительным для выявления возможного оседания поверхности является период 1946-65 гг. 20 вв., когда происходило систематическое снижение уровней, которое к 1965 году в центре депрессии составило 64 м, а также период с 1967 по 1976 гг., когда максимальное понижение уровней составило 27 м. (рисунок 2.11)
Оползневые деформации на откосах рек и каналов
Как уже указывалось ранее, большинство рек и каналов Санкт-Петербурга ограждены шпунтовыми стенками либо конструкциями набережных, в ряде случаев имеет место активизация оползневых деформаций, развитие которых может быть цикличным и длительным во времени и оказывать влияние на устойчивость и нормальное функционирование набережных, инженерных коммуникаций приоткосной части и расположенных вдоль водотоков зданий и сооружений.
Необходимо принимать во внимание, что инженерные коммуникации часто проложены в приоткосной зоне водотоков. При этом значительные утечки из канализационных систем, способствуют образованию куполов подтопления в местах устройства практически водонепроницаемых набережных и шпунтовых ограждений, а также развитию загрязнения грунтов по глубине, что негативно сказывается, как уже указывалось ранее, на показателях физико-механических свойств пород, формируя опасность активизации, либо развития оползневых деформаций. Кроме того, приоткосная часть рек и каналов находится в зоне влияния транспортных магистралей, где вибрационное воздействие на грунты может приводить к их тиксотропному разупрочнению и разжижению, разрушению структурных связей, снижению прочности и другим негативным процессам, способствующим развитию оползневых смещений.
Оползневые смещения обычно связаны с отсутствием соответствующего крепления откосов и постепенного снижения прочности песчано-глинистых пород при их загрязнении (оползень на Обводном канале между Предтеченским и Ново-Каменным мостами), либо несоответствия конструктивных решений набережных в условиях постепенного ухудшения состояния и физико-механических свойств пород также в условиях их интенсивной контаминации (Петровский остров, набережные Петровского стадиона).
Оползневой процесс на набережной Обводного канала. В конце марта 1999 года между Ново-Каменным и Предтеченским мостами произошла деформация левобережного склона Обводного канала, сопровождавшаяся опусканием дневной поверхности, а также смещением шпунтового ограждения в низовой части откоса. Максимальная осадка поверхности превысила два метра. В зоне развития деформаций оказался электрический кабель, который проложен в металлической трубе диаметром 250 мм, заполненной маслом под давлением 15 атмосфер, а также канализационный коллектор, проложенный на глубине 15 м. Абсолютный прогиб трубы составил 1 м, что могло привести к прекращению подачи энергии в метрополитен и промышленные предприятия на юге города. Наблюдаемые подвижки откоса вызвали развитие неравномерных деформаций домов №46-48 по набережной Обводного канала (понижение цоколя до 99 мм), в стенах которых было зафиксировано прогрессирующее образование наклонных трещин, (рисунок 3.17)
Обводный канал был заложен в озерно-ледниковых отложениях 1-го Балтийского ледникового озера, которые подстилаются отложениями лужской морены и перекрыты осадками литоринового моря и техногенными грунтами, (рисунок 3.18) Литориновые супеси и озерно-ледниковые суглинки и глины имеют текучую, реже текучепластичную консистенцию. При испытании озерно-ледниковых отложений в условиях трехосного сжатия углы внутреннего трения таких грунтов уменьшаются до 5 град, и менее, а сцепление составляет 0,02 МПа и ниже. Глинистые грунты разреза обладают ярко выраженными тик-сотропными свойствами.
Грунтовые воды были встречены на глубине 2,4 - 4,1м (март-апрель 1999года). Гидродинамический и гидрохимический режим водоносного горизонта на этом участке определяется природно-техногенными факторами: - возможностью свободной разгрузки подземных вод в канал и утечками из канализационной системы, о чем свидетельствует заметное содержание аммония - до 13,5 мг/л. Основные компоненты химического состава приведены в таблице 3.14.
Существование промывного режима водоносного горизонта в приоткос-ной части канала обеспечивает более низкие значения перманганатной окис-ляемости (20,8 мг/л), содержания аммония и др. в грунтовых водах по сравнению с зонами, где отсутствует их дренирование из-за непроницаемых ограждающих конструкций набережных.
Несмотря на то, что грунтовые воды являются неагрессивными согласно стандартным показателям, но можно предположить наличие в них биокоррозии за счет микробной деятельности, присутствие которой было подтверждено результатами определения бактериальной массы, (таблица 3.15)
Аварийный участок откоса Обводного канала располагается между двумя засыпанными водотоками, что подтверждается данными радиолокационных исследований. На продольных геофизических профилях между двумя вышеупомянутыми мостами отчетливо фиксируются засыпанные русла, одно из которых принадлежит р. Волковке, а второе - Литовскому каналу, (рисунок 3.19) [96, 124]
Соответственно, деформации произошли в пределах ослабленного блока грунтов, ограниченного техногенными телами ликвидированных водотоков.
В пользу гипотезы оползневого смещения набережной свидетельствуют следующие явления, которые фиксировались визуально, а также по результатам проведенных изысканий.
1. Наличие трещин закола (растяжения), которые ограничивают участок опускания дневной поверхности в форме оползневого цирка, максимальная ширина зоны смещения от бровки откоса составляла 1,0-1,1Н, где Н - высота откоса, равная 8,7 м. Такое размещение трещин закола определяет положение наиболее вероятной поверхности скольжения при развитии оползневых смещений в толще слабых грунтов.
2. По результатам проведенного бурения ЗАО «ЛенТИСИЗ» и зондирования зафиксировано изменение характера контакта озерно-ледниковых отложений с наиболее плотными и прочными моренными суглинками: нижняя граница ленточных глин плавно изгибается вверх и приблизительно под углом 45 входит под акваторию Обводного канала, что соответствует положению поверхности скольжения в толще пластичных глинистых грунтов с ф = 0 град, в нижней части откоса. Следует также отметить, что предполагаемая поверхность скольжения проходит в зоне ленточных глин с наиболее высокой влажностью, составляющей 44%. (см. рисунок 3.18)
3. Опускание дневной поверхности сопровождалось выполаживанием откоса Обводного канала и поворотом шпунтовых ограждений в его нижней части.
По всей вероятности оползневые смещения развивались длительное время, что характерно для подобного разреза слабых грунтов и сформировались в пределах ослабленного блока двух засыпанных водотоков, (см. рисунок 3.19) Неравномерные деформации домов 46-48 по набережной Обводного канала являлись следствием уменьшения боковой пригрузки за счет постепенного опускания проезжей части набережной. Проводившиеся в 1998-99 г.г. строительные работы с применением динамических воздействий, тяжелого оборудования в условиях широкого развития тиксотропных грунтов (литориновые и озерно-ледниковые отложения) в разрезе откоса канала могли значительно интенсифицировать оползневой процесс за счет возрастания его скорости.
Качественная оценка возможности развития оползневых деформаций была проверена расчетом, который был проведен при фиксированном положении поверхности скольжения, определенной визуально, а также с учетом данных бурения и зондирования (рисунок 3.20).
В связи с недостаточным количеством лабораторных исследований, для выявления физико-механических свойств, к данной задаче, как уже отмечалось, применен метод аналогий с площадкой, где показатели механических свойств озерно-ледниковых отложений определялись в условиях трехосного сжатия, в условиях закрытой системы испытания (неконсолидированного - недрениро-ванного испытания).
Выполнение расчета устойчивости откоса требует учета всех сил, работающих в теле оползня: напряжений от веса грунта, действие гидродинамического давления, действия активного и пассивного давления на шпунтовую стенку. Учет этих сил возможен при условном делении оползневого массива на отдельные вертикальные блоки в плоскости разреза. Затем силы, действующие в каждом блоке, проектируются на нормальную (Ni) и касательную (Ті) составляющие
Рекомендации по предотвращению развития коррозии строительных материалов в подземном пространстве
Как уже отмечалось в разделе 3.7 развитие биокоррозии различных строительных материалов, вызванное деятельностью микроорганизмов, в том числе микромицетами, актиномицетами, бактериями прослеживается по глубине всей осадочной толщи подземного пространства Санкт-Петербурга.
Активность микроорганизмов в верхней части разреза подземного пространства -1 уровень (ограничивается водоупором суглинков лужской морены) вызвана наличием органической составляющей, в первую очередь, за счет присутствия в разрезе погребенных болотных отложений, а так же интенсивного загрязнения коммунально-бытовыми стоками и нефтепродуктами. На II уровне, включающем комплексы межледниковых отложений, отмечаются отдельные всплески активизации микробной жизни, например в районах распространения микулинских битуминозных суглинков и песков. III уровень микробной деятельности прослеживается в коренных глинах, интенсивность которой определяется не только ее поступлением из различных источников загрязнения, но и существованием природной микробиоты. В последние годы зарубежные исследования шведских микробиологов (К. Pedersen, M.E.Nielsen, 2001) показали, что минерализованные воды Балтийского щита содержат активную микрофлору, существование которой определяется благоприятной средой обитания (М 1000 мг/л, pH-Eh, природная радиоактивность пород фундамента).
Оценка интенсивности микробной деятельности по величине БМ в четвертичных и коренных верхнекотлинских глинах венда, выполненная по результатам многочисленных экспериментальных исследований [39], показывает активизацию этого процесса в зависимости от приуроченности к источникам загрязнения.(таблица 4.5)
В зону влияния первого и второго уровня активности микробной деятельности попадают конструкции набережных, шпунтовых стенок, свайные фундаменты. Зона влияния всех трех уровней микробной активности вмещает перегонные и эскалаторные тоннели, пешеходные переходы, в которых проявляется двусторонняя агрессия со стороны вмещающей среды и воздушного пространства выработок.
Основные физиологические группы бактерий, выявленные в процессе исследовательских работ, имеют определенную направленность биохимической деятельности по отношению к строительным материалам, при этом продукты их метаболизма оказывают весьма агрессивное действие.
Накопление в подземном пространстве таких продуктов метаболизма бактерий как диоксид углерода, сероводород, а также минеральных и органических кислот повышает агрессивность подземных вод по отношению к строительным материалам и конструкциям. Активная биокоррозия весьма опасна не только по отношению к строительным материалам и конструкциям, но и стальным трубам, которые широко применяются для строительства инженерных коммуникаций, (см. раздел 3.7)
Как показывают данные таблицы 4.6, диапазон жизнедеятельности этих бактерий весьма широк и по физико-химическим и температурным критериям, что имеет принципиальное значение при оценке их активности и деятельности в подземной среде.
Большинство микроорганизмов имеют высокие адаптационные способности даже в условиях экстремальных ситуаций обладают способностью приспосабливаться к новой обстановке в течение относительно короткого промежутка времени, измеряемого минутами и часами. [60,127, 139] Адаптация обычно направлена на выживание, а не на рост.
Существование клетки обычно можно описать как совокупность адаптационных состояний. Так, например, изменение температуры даже на 20С или больше вызывает лишь временную остановку роста, после которой возобновляется нормальный экспоненциальный рост со скоростью, соответствующей новым температурным условиям. При снижении количества питательных веществ, повышаются скорости воспроизводства и синтеза новых белков, при этом клетки становятся устойчивыми к различным другим стрессам: окислительным, кислотно-щелочным, осмотическим, температурным и другим. При длительном голодании - клетка переходит в покоящееся состояние, которое определяется как жизнеспособное, но некультивируемое.[127]
Следует отметить, что адаптация к стрессу заключается главным образом в усилении и активности тех механизмов, которые действуют при нормальном росте, т.е. при стрессе происходит изменение лишь в соотношении различных активностей клеток. По этой причине реакции на стресс рассматривают как интеграцию процессов роста и выживания микроорганизмов. Такая современная точка зрения предполагает, что бороться с микроорганизмами в подземном пространстве, деятельность которых может насчитывать миллионы и десятки миллионов лет и более, особенно в условиях наличия достаточного количества питательных и энергетических субстратов, не представляется перспективным направлением. Наиболее корректным можно считать направление - приспособление и учет существующей ситуации в подземном пространстве.
Следовательно, основная задача - обеспечение устойчивости строительных материалов в коррозионной среде - должна решаться на основе постановки и проведения широкомасштабных экспериментальных работ в лабораторных и опытно-практических условиях для проверки длительной стойкости конструкций в ненапряженном и напряженном состоянии при воздействии химически и биохимически агрессивных сред. Причем моделирование этих процессов должно проводиться не только с агрессивной водной средой как рекомендует государственный стандарт (ГОСТ 25881-83) - бетоны химические стойкие, но и в условиях воздействия различных типов водо- и газонасыщенных грунтов, идентичных разрезу вмещающей толщи. Кроме того, необходим подбор тех биогеоценозов, которые обитают в подземной среде рассматриваемой территории.
Общие сведения об устойчивости металлов, бетонов и цементов в различных водных средах, компоненты которых определяются природой химических процессов в подземных водах, их загрязнением и метаболизмом микроорганизмов даны в таблице 4.7.
