ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ В Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ
advertisement
На правах рукописи ЖУКОВА Анна Михайловна ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ В Г. САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ Специальность 25.00.08 – Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2011 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете Научный руководитель – доктор геолого-минералогических наук, профессор Дашко Регина Эдуардовна Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Королев Владимир Александрович кандидат геолого-минералогических наук, доцент Корвет Надежда Григорьевна Ведущее предприятие – ООО «ПИ Геореконструкция» Защита диссертации состоится 28 сентября 2011 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при СанктПетербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета. Автореферат разослан 26 августа 2011 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета канд. геол.-минерал. наук А.В. ШИДЛОВСКАЯ 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Стратегия интенсивного развития мегаполисов предполагает необходимость возведения высотных зданий при обязательном использовании подземного пространства. Сложность инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга при отсутствии опыта проектирования и строительства тяжелых зданий требует выделения территорий, перспективных и экономически оправданных для возведения таких сооружений. В мировой практике тяжелые высотные здания чаще всего возводятся на скальных породах, которые в Санкт-Петербурге залегают на глубинах 180-250 м, что предопределяет необходимость использования в качестве основания вышезалегающие глинистые отложения верхнего венда и нижнего кембрия. В инженерногеологической практике эти отложения не рассматривались в качестве основания высотных сооружений. Проблема возведения высотных зданий в различных странах связана с именами известных архитекторов: Ван дер Роэ, Ле Корбюзье, О. Нимейер, Н. Фостер и др. В настоящее время проектирование высотного строительства в сложных инженерногеологических условиях проводится под руководством Р. Катценбаха, А. Шмита, Дж. Дэвиса, Г. Поулоса и др. В России научно-практическим обеспечением возможности высотного строительства занимаются В.М. Улицкий, В.И. Ильичев, В.П. Петрухин, В.И. Осипов, Р.С. Зиангиров, З.Г. Тер-Мартиросян, В.И. Шейнин, И.В. Колыбин, А.Г. Шашкин, О.А. Шулятьев и др. В 2006 г. специалистами ГУ НИПЦ «Генплана СПб» была составлена схема размещения высотных зданий вне исторического центра в виде доминантных кластеров без учета инженерногеологических условий территории, в том числе структурнотектонических и гидрогеологических особенностей, которые необходимо принимать во внимание для оценки степени сложности устройства фундаментов тяжелых зданий. Кроме того, большое значение имеет история и длительность освоения территории, которые определяют степень контаминации подземной среды и, соответственно, негативные изменения ее компонентов. 3 Цель работы. Инженерно-геологическое обоснование безопасности строительства и эксплуатации высотных зданий в условиях освоения и использования подземного пространства на территориях выделенных доминантных кластеров. Основные задачи исследований 1. Изучение структурно-тектонических условий территорий доминантных кластеров для анализа специфики зонального строения и дезинтегрированности коренных глинистых пород осадочного чехла как основания высотных зданий. 2. Исследование влияния гидродинамического и гидрохимического режимов высоконапорных водоносных горизонтов на условия строительства и эксплуатации высотных зданий. 3. Оценка возможности развития негативных инженерно-геологических процессов при ведении работ нулевого цикла, в том числе устройстве глубоких котлованов.4. Создание инженерно-геологических моделей взаимодействия высотных зданий с глинистыми породами основания с учетом особенностей их макро- и микростроения. 5. Разработка рекомендаций по оценке особенностей инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации высотных зданий в СанктПетербурге для совершенствования нормативной базы проведения изысканий и проектирования уникальных сооружений. Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены исследования автора, которые проводились в период обучения в аспирантуре и магистратуре с 2006 г. по 2011 г., в том числе анализ большого объема фондовых материалов по инженерно-геологическим особенностям г. СанктПетербурга, включая структурно-тектонические, гидрогеологические и геоэкологические условия. Кроме того, автором выполнялась полевая документация скважин, а также экспериментальные исследования для определения влияния макро- и микротрещиноватости коренных глин на их прочность и деформационную способность. Основные методы исследований. Инженерногеологический анализ условий формирования состава, состояния и физико-механических свойств четвертичных и коренных глинистых пород, современные методы изучения гранулометрического состава, 4 сопротивления сдвигу и деформационных свойств на установках трехосного сжатия, расчетно-теоретические методы по обоснованию устойчивости проектируемых сооружений и прорывам подземных вод в котлованы. Реализация результатов исследований. Научнопрактические разработки по инженерно-геологическому обоснованию условий для строительства высотных зданий вне исторического центра Санкт-Петербурга, инженерно-геологические модели основания и принципы инженерно-геологического обеспечения проведения работ нулевого цикла высотного строительства будут применяться при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и проектированию высотных зданий, а также будут внедряться рядом организаций, таких как СПб НИИ градостроительного проектирования, ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», ЗАО «Институт ЛЕНПРОМСТРОЙПРОЕКТ», ООО «ПИ Геореконструкция». Научная новизна работы Установлено влияние структурно-тектонических условий на зональность строения верхнекотлинских глин верхнего венда и закономерности изменения их дезинтегрированности, прочности и деформационной способности. Предложены инженерно-геологические модели оснований высотных зданий для двух типов глинистых пород, рассматриваемых как трещиновато-блочная либо тонкопористая среда. Получены закономерности изменения прочности и деформационной способности верхнекотлинских глин в зависимости от размера образца и объемного напряженного состояния на основе экспериментальных исследований. Установлено влияние восходящего перетекания минерализованных хлоридных натриевых вод на снижение несущей способности верхнекотлинских глин в основании проектируемых зданий. Защищаемые положения 1. Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге определяется 5 положением подземного контура кровли коренных пород, степенью их тектонической и нетектонической дезинтеграции, гидродинамическим и гидрохимическим режимами водоносных горизонтов, а также газодинамическими явлениями в подземном пространстве рассматриваемой территории. 2. Технология проведения работ нулевого цикла, в том числе устройства глубоких котлованов в четвертичных отложениях, должна базироваться на комплексном изучении степени преобразования их состояния и физико-механических свойств под воздействием природных и техногенных факторов, влияния напорных вод, в том числе глубоких водоносных горизонтов и степени освоенности прилегающей территории. 3. Безопасность эксплуатации высотных зданий зависит от степени полноты и достоверности инженерно-геологической информации, которая должна включать исследования интенсивности техногенеза пород и подземных вод в основании, динамики изменения его напряженно-деформированного состояния под влиянием гидродинамических факторов, а также возможности развития различных типов коррозии конструкционных материалов. Практическая значимость работы. Охарактеризованы основные инженерно-геологические особенности территорий доминантных кластеров, определяющие безопасность освоения подземного пространства при устройстве глубоких котлованов и условия эксплуатации высотных зданий. Дано обоснование общих и специальных инженерногеологических критериев для проведения инженерных изысканий и проектирования высотных зданий в условиях Санкт-Петербурга. Предложен алгоритм учета микро- и макротрещиноватости для оценки показателей прочности и деформационной способности верхнекотлинских глин верхнего венда как основания высотных зданий. Достоверность научных положений и выводов базируется на большом объеме выполненных теоретических и научнопрактических исследований по формированию и изменению физикомеханических свойств коренных глинистых пород СанктПетербурга, проведении полевых и лабораторных исследований по 6 прочности и деформационной способности глинистых пород различного возраста и генезиса. В диссертации использован большой объем экспериментальных исследований по обоснованию особенностей взаимодействия тяжелых сооружений с глинистыми породами основания как трещиновато-блочной или тонкопористой среды. В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ, с непосредственным участием автора: «Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обеспечение высотного строительства и освоения подземного пространства в мегаполисах» (2009 г), «Состояние и стратегия развития научной школы «Инженерная геология» по приоритетным направлениям НИУ» (2010 г). Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГИ(ТУ), СанктПетербург, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), «Инженерные изыскания в строительстве» (ОАО «ПНИИИС», Москва, 2011 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности при использовании современных технологий строительства подземных сооружений в сложных условиях городской застройки» (ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», Санкт-Петербург, 2008 г.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2008, 2010, 2011 гг.), международных конференциях молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009 и 2010 гг.) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2010 и 2011 гг.). Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 8 опубликованных работах, в том числе 4 статьях в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ. Структура работы. Диссертация изложена на 256 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 140 наименований, содержит 88 рисунков, 34 таблицы. 7 Автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. профессору Р.Э. Дашко, автор благодарит: заведующего кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ д.г.-м.н., проф. Антонова В.В., д.г.-м.н., проф. Иванова И.П., к.г-м.н., доц. Петрова Н.С., к.г-м.н., доц. Норову Л.П., к.г-м.н., доц. Николаеву Т.Н., к.г-м.н., доц. Шидловскую А.В., к.г-м.н., доц. Поспехова Г.Б., к.г-м.н., асс. Александрову О.Ю., к.г-м.н., асс. Котюкова П.В., аспирантку Панкратову К.В. за обсуждение материалов диссертации. ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ 1. Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге определяется положением подземного контура кровли коренных пород, степенью их тектонической и нетектонической дезинтеграции, гидродинамическим и гидрохимическим режимами водоносных горизонтов, а также газодинамическими явлениями в подземном пространстве рассматриваемой территории. Планирование высотной застройки Санкт-Петербурга по принципу доминантных кластеров, которые распределены по периферии его исторического центра, следует рассматривать как прогрессивное решение архитекторов (рис. 1), позволяющее использовать принцип интегрированного урбанизма, ключевым моментом которого служит концепция гармоничного сочетания зданий разной высоты с их различными социально-экономическими функциями. Иллюстрация воплощения такой идеи - застройка пригородов Парижа (Дефанс) и Лондона (Докленд). Подобное решение избавляет исторический центр города от неизбежной реконструкции и его архитектурного разрушения и позволяет сохранить «небесную линию», по образному выражению академика Д.С. Лихачева. Сложность инженерно-геологических условий возведения высотных зданий в Санкт-Петербурге, в первую очередь, определяется наличием тектонических разломов различного направления, к некоторым из которых приурочены погребенные 8 долины различной глубины, прорезающие толщу коренных глин верхнего венда и нижнего кембрия и заполненные четвертичными отложениями. Вне погребенных долин кровля коренных пород прослеживается на глубинах 20-25 м и менее, в зонах погребенных долин – до 120 м. В зонах распространения погребенных долин мощность осадочной толщи коренных пород постепенно снижается от их склоновой части к тальвегу. Глубина вреза палеодолины определяет мощность четвертичных песчано-глинистых отложений различного состояния, часто с неустойчивой формой консистенции, а также количество водоносных горизонтов (рис. 2). В глубоких погребенных долинах обычно прослеживаются морены нескольких стадий оледенения, межледниковые отложения различного генезиса, в том числе с природными газопроявлениями – микулинские слои в юго-восточной и восточной частях города, а также на севере города в районе Мурино. При освоении подземного пространства в пределах палеодолин, в том числе устройстве глубоких котлованов, проходке тоннелей, возрастает вероятность проявления «истинных» и «ложных» плывунов, тиксотропии глинистых грунтов, прорывов напорных вод и/или газов, а также активизации коррозионных процессов конструкционных материалов. Вне зон влияния тектонических разломов и погребенных долин коренные глинистые породы характеризуются зональным строением по глубине, что находит свое выражение в закономерном изменении физикомеханических свойств и степени трещиноватости толщи глин, что следует рассматривать как фактор, влияющий на их прочность и несущую способность. В зонах разломов наблюдается нарушение зонального строения верхнекотлинских либо «синих» нижнекембрийских глин за счет незакономерного изменения их дезинтегрированности, изменчивости параметров физико-механических свойств, в том числе показателей прочности и деформационной способности. Повсеместное распространение нижнекотлинского водоносного горизонта, прослеживаемого ниже трещиноватых верхнекотлинских глин верхнего венда, для которого в настоящее время характерен постоянный рост напоров, предопределяет активность процесса восходящего перетекания минерализованных 9 хлоридных натриевых вод этого горизонта, что требуют радикального пересмотра водоупорных свойств верхнекотлинских глин, особенно в зонах тальвегов глубоких палеодолин (см. рис.2). Необходимо отметить, что в южной части города под нижнекембрийскими «синими» глинами либо непосредственно под четвертичными отложениями распространен напорный водоносный горизонт, приуроченный к ломоносовским песчаникам. Присутствие этого горизонта может приводить к прорывам напорных вод в глубокие котлованы, а также восходящему перетеканию вод через трещиноватые глины, в том числе по зоне контакта свай и вмещающей породы. На участках, где горизонт перекрывается непосредственно четвертичными отложениями, песчаники разрушены до состояния песков, которые часто в водонасыщенном состоянии обладают плывунными свойствами. При возведении высотных зданий рекомендуется использовать территории, в разрезе которых отсутствуют погребенные долины, либо глубина их вреза не превышает 15-20 м. Тальвеговые зоны глубоких палеодолин должны быть исключены из рассмотрения при строительстве высотных сооружений. 2. Технология проведения работ нулевого цикла, в том числе устройства глубоких котлованов в четвертичных отложениях, должна базироваться на комплексном изучении степени преобразования их состояния и физико-механических свойств под воздействием природных и техногенных факторов, влияния напорных вод, в том числе глубоких водоносных горизонтов и степени освоенности прилегающей территории. Возведение высотных зданий на территориях распространения слабых грунтов в верхней части разреза осадочной толщи предполагает необходимость освоения подземного пространства путем устройства глубоких котлованов и сооружения фундаментов глубокого заложения. Опыт устройства глубоких котлованов в Санкт-Петербурге в ряде случаев характеризуется развитием предаварийных и аварийных ситуаций, особенно в условиях плотной застройки, однако постепенно накапливаются положительные результаты по снижению негативного влияния на безопасность эксплуатации функционирующих зданий. 10 Развитие деформаций ограждающих конструкций котлованов может наблюдаться за счет ошибок, сделанных при изысканиях и повлекших за собой некорректность проектирования, в том числе: применения расчетных моделей, не соответствующих поведению конструкции в грунтовой водонасыщенной толще; ошибок в оценке напряженно-деформированного состояния при игнорировании действия гидростатических и гидродинамических сил; использования параметров механических свойств грунтов, полученных в приборах и/или по методикам, не отвечающим реальным условиям напряженного состояния и работы грунтов во взаимодействии с конструкциями; недостаточного учета возможности развития негативных процессов и явлений, связанных со спецификой инженерно-геологических условий. Деформирование стенок и дна котлована вызывает дополнительные и неравномерные осадки, приводящие к образованию трещин в несущих конструкциях окружающих зданий. Старинные здания и сооружения с высоким уровнем эксплуатационного износа могут переходить в аварийное состояние при дополнительных осадках, превышающих 2-3 см и их относительной величине более 0,001 согласно СП 22.13330.2011. Поскольку рассматриваемые в работе зоны доминантных кластеров расположены вне исторического центра, наличие плотной городской застройки практически исключается. Инженерно-геологические особенности четвертичных песчано-глинистых грунтов, оказывающие существенное влияние на безопасность устройства глубоких котлованов и работ нулевого цикла, должны анализироваться с учетом возможности негативного преобразования грунтов при их контаминации и развития различных природно-техногенных процессов, в том числе высокой коррозионной агрессивности среды. Выбор технологии устройства котлована должен базироваться на комплексном подходе к оценке инженерногеологических факторов и обязательном учете развития в локальном или региональном масштабе природных либо природнотехногенных процессов (табл.). 11 Все рассматриваемые участки доминантных кластеров характеризуются значительной степенью загрязнения подземного пространства, связанной с распространением действующих или захороненных болот, свалок, кладбищ, контаминированных насыпных и намывных отложений, ликвидированных водных объектов, что вызывает наличие в подземном пространстве таких процессов, как плывуны, тиксотропия глинистых отложений, биохимическое газообразование (см. табл.). Развитие плывунов необходимо рассматривать как фактор, предопределяющий возможность их прорыва при проходке котлована, а также создающий дополнительное давление на его ограждение. Явление тиксотропии представляет серьезную опасность при динамическом погружении ограждающих конструкций в глинистые грунты, которые снижают свою прочность и переходят в подвижное состояние, передавая на ограждающие конструкции давления, не отвечающие проектным значениям для грунтов с трением и сцеплением. Кроме того, необходимо учитывать влияние биохимической газогенерации в межморенных микулинских слоях (CH4, N2, CO2), а также в современных и верхнечетвертичных отложениях при их техногенном загрязнении органическими соединениями. Действие газодинамического давления может вызывать прорывы газонасыщенных вод и грунтов, а также снижение прочности песчано-глинистых отложений при повышении содержания газовой составляющей в поровой воде (см. табл.). В зонах распространения напорных горизонтов - верхнего межморенного (полюстровского), нижнего межморенного и ломоносовского, а также линз и прослоев водонасыщенных песков в моренных отложениях возникает опасность прорывов подземных вод в котлован. В настоящее время пьезометрический уровень верхнего межморенного горизонта практически достигает отметки земной поверхности за счет прекращения эксплуатации Полюстровского месторождения минеральных вод более 30 лет назад. Согласно проведенным расчетам, даже относительно невысокие напоры до 10 м в водонасыщенных песках могут вызвать 12 прорыв воды со стороны дна котлована при наличии защитного водоупорного глинистого целика менее 5,0 м, при меньшем значении напора возможен подъем дна котлована при постепенном ослаблении прочности пород целика. На территориях, характеризующихся опасностью прорывов напорных вод рекомендуется определять максимальную безопасную величину напора (давления) при условии работы защитного целика на сдвиг по формулам В.А. Мироненко и В.И. Шестакова или И.П. Иванова H без m 2c / b mf / в H без K0m 2( x f c) / r / в , где Нбез – безопасный напор; m – мощность целика породы; b – ширина строительного котлована; r – радиус выработки; х - горизонтальная составляющая давления собственного веса горных пород; К0 – понижающий коэффициент; γв, γ - плотности воды и пород целика соответственно; с, f=tgφ – сцепление и коэффициент внутреннего трения горных пород целика; ξ- коэффициент бокового распора. При превышении величины действующего напора над безопасным следует рассматривать возможность водопонижения при условии отсутствия негативных последствий. В зонах развития газонасыщенных грунтов рекомендуется устраивать газоразгрузочные скважины, при этом необходимо учитывать, что их радиус воздействия может значительно превышать зоны влияния депрессионных воронок при водопонижении. Однако снижение газодинамического давления не оказывает существенного влияния на рост эффективных напряжений. 3. Безопасность эксплуатации высотных зданий зависит от степени полноты и достоверности инженерно-геологической информации, которая должна включать исследования интенсивности техногенеза пород и подземных вод в основании, динамики изменения его напряженно-деформированного состояния под влиянием гидродинамических факторов, а также возможности развития различных типов коррозии конструкционных материалов. Основным критерием длительной устойчивости высотного сооружения служит предельно допустимое значение крена, которое обычно определяется индивидуально для каждого проектируемого 13 здания. Действующие нормативы по предельно допустимому крену не могут быть использованы для высотных зданий. Длительная устойчивость высотного здания может быть обеспечена только в случае получения полной и достоверной инженерно-геологической информации, характеризующей условия работы грунтового основания во взаимодействии с сооружением не только в период строительства, но и прогноз их изменения в период эксплуатации. Как показывает накопленный опыт наблюдений за осадками зданий и сооружений в Санкт-Петербурге, прогнозируемые (расчетные) деформации оказываются, как правило, ниже, чем реальные величины. Анализ проектных данных показал, что в расчетах часто используются завышенные значения показателей прочности и деформационной способности грунтов из-за несоответствия применяемой методики испытаний реальным условиям работы основания. С целью повышения полноты и достоверности получаемой информации на стадии изысканий были выделены инженерногеологические критерии, которые влияют на безопасность строительства и эксплуатации высотных зданий. К ним относятся тектоническая и нетектоническая трещиноватость коренных глин, интенсивность которой определяет анизотропию напряженного состояния, прочность и деформационную способность этих пород, их водопроницаемость и возможность изменения таких параметров во времени. Кроме того, необходимо принимать во внимание снижение прочности конструкционных материалов за счет различных типов коррозионной активности подземной среды. Согласно действующим в Санкт-Петербурге нормативным документам, для высотных зданий следует использовать свайные фундаменты, «…нижние концы свай следует опирать на однородный коренной грунт (кембрийскую, протерозойскую глину или морену твердой консистенции)» (п. 7.3.3 ТСН 31-332-2006). При использовании глубоких котлованов в качестве основания обычно анализируются морены, перекрытые более поздними водонасыщенными четвертичными отложениями, к которым приурочены в различной степени загрязненные водоносные горизонты. Такие морены обычно находятся в анаэробных условиях 14 и имеют в основном молекулярный тип структурных связей, определяющий развитие пластических деформаций при действии тех величин напряжений, которые характерны для оснований высотных зданий. Для подобных морен устойчивые формы консистенции не должны рассматриваться как гарантия высоких значений прочности и низкой деформируемости. Исследования, выполненные в условиях трехосного сжатия (неконсолидированно-недренированные испытания), свидетельствуют о варьировании угла внутреннего трения в пределах 0-10º, снижении значения сцепления до 0,07 МПа и менее для таких морен. Сорбция органических частиц абиотического и биотического генезиса при контаминации морены за счет утечек из систем водоотведения, а также воздействия жидкой фазы различных отходов вызывает снижение ее прочности и модуля общей деформации. Содержание биомассы в таком случае может достигать 200, реже 350 мкг/г при сохранении постоянства физического состояния – показателя консистенции грунтов. Оценка работы подобных отложений в основании сооружения должна базироваться на рассмотрении их как тонкопористой среды, деформирование которой в зависимости от соотношения действующего сжимающего напряжения, структурной прочности и давления, определяющего возможность фильтрационной консолидации, происходит за счет ползучести скелета и/или фильтрационной консолидации в ограниченной по глубине зоне. Возможность использования в качестве надежного основания коренных отложений верхнего венда и нижнего кембрия определяется не только глубиной их залегания вне или в пределах палеодолин, но, как отмечалось ранее, и степенью их дезинтегрированности. Взаимодействие сооружения с подобными породами в основании реализуется согласно модели трещиноватоблочной среды, деформации которой в зависимости от соотношения действующего сжимающего напряжения, величины структурной прочности в блоке породы и по трещине складываются из деформаций каждого блока и/или смещений по трещинам. Определение механических свойств трещиноватых глин, участвующих в расчетах длительной устойчивости здания, 15 необходимо проводить с учетом их микро- и макротрещиноватости. Влияние микротрещиноватости возможно учитывать при испытаниях образцов различного размера в условиях объемного напряженного состояния при возможности их бокового расширения. Проведение исследований верхнекотлинских глин верхнего венда на образцах диаметром 35-85 мм при соотношении высоты образца к его диаметру равном двум, позволило сделать два принципиальных вывода: а) при увеличении диаметра образца более 60 мм величина сцепления (с) стремится к некоторому постоянному значению, следовательно, для определения показателей прочности с учетом микротрещиноватости оптимальный диаметр должен составлять 60 мм, дальнейшее увеличение размера образца не влияет на значение минимального сцепления; б) изменение уровня напряженного состояния не сказывается на результатах исследований масштабного эффекта и его воздействия на параметр с при диаметре образца больше 60 мм (рис. 3). При определении модуля общей деформации (Е0) для образцов небольших размеров диаметром 35-42 мм устанавливается четкая зависимость между значением Е0 и величиной всестороннего давления (рис. 4). Для образцов диаметром 60-85 мм величина Е0 имеет отчетливую тенденцию роста по мере повышения уровня всесторонних напряжений 2=3, но не устанавливается связь между размером образца и значением Е0 . В этом случае рекомендуется проводить исследования максимальных и минимальных значений модуля общей деформации для дальнейшей оценки интервала изменения этой характеристики. Как известно, наиболее рациональный метод учета влияния макротрещиноватости на показатели прочности и деформируемости горных пород является проведение полевых испытаний. При отсутствии такой возможности для определения прочности рекомендуется использовать коэффициент структурного ослабления (Фисенко Г.Л., 1972) и определять сцепление по формуле: с м с0 с /1 a ln H / lТ с , где см, со, с´– сцепление пород в массиве, в образце и по контактам между блоками пород соответственно; Н – мощность зоны деформирования; lТ – средний размер блока; a- коэффициент, зависящий от прочности пород в 16 монолитном образце и характера трещиноватости (по данным ВНИМИ для плотных аргиллитоподобных глин a=2-3). Для оценки модуля общей деформации можно воспользоваться формулой К.В. Руппенейта: n EoТ Е0НТ /1 i (1 sin 4 i ) , где n – число систем трещин; Е0Т, i 1 Е0НТ – модуль общей деформации трещиноватого массива и в образце соответственно; θi – среднее значение угла между трещинами i-й системы и вертикальной осью; ηi - геометрическая характеристика трещин i-й системы, определяемая по формуле i i / ili , где i , li , i - средние величины ширины раскрытия трещин, размера блока породы и площади контактов по трещинам соответственно для i-й системы трещин. Для прогноза работы коренных пород во времени необходимо оценка их длительной прочности и деформируемости при условии, что напряжения, действующие в основании сооружения, превышают предел их длительной прочности. По проведенным ранее экспериментальным исследованиям реологических свойств (К.П. Безродный, Ю.М. Карташов, Р.Э. Дашко и др.) коренные глины характеризуются значительным снижением сцепления (до 30%) и модуля общей деформации (до 50%) во времени, что необходимо учитывать в практике проектирования тяжелых сооружений при сохранении постоянства их физических свойств и состояния. Трещиноватость и слоистость коренных глинистых пород предопределяет асимметричность распределения сжимающих напряжений в толще основания и их медленное затухание по глубине, что предполагает развитие неравномерных осадок по различным вертикальным сечениям в пределах контуров загруженных фундаментов (рис. 5). При проектировании высотных сооружений с использованием свайных фундаментов необходимо учитывать гидродинамическое и гидрохимическое влияние нижнекотлинского горизонта при восходящем перетекании минерализованных вод через трещиноватые верхнекотлинские глины. 17 Усиление взвешивающего эффекта в толще коренных глин может приводить с одной стороны, к снижению веса сооружения, с другой стороны – увеличению мощности активной зоны в основании сооружения. Аналогичный взвешивающий эффект оказывает полюстровский (верхний межморенный) водоносный горизонт. Между минерализованными хлоридными натриевыми водами, заполняющими трещины, и катионами диффузного слоя глинистых частиц в блоках глинистой породы возможно протекание реакций ионного обмена (физико-химического поглощения). Рост содержания Na+ в диффузном слое приводит к диспергации глин, за счет чего возрастает их гидрофильность и влажность (при отсутствии набухания). Такие физико-химические процессы приводят к снижению угла внутреннего трения, в меньшей степени сцепления, что будет оказывать влияние на несущую способность свай. Необходимо также учитывать высокую агрессивность вод нижнекотлинского водоносного горизонта по отношению к конструкционным материалам фундаментов и подземных частей сооружений, прежде всего к бетону и стальным конструкциям. С точки зрения развития коррозионной агрессивности по отношению к бетонам большую опасность представляют подземные воды полюстровского водоносного горизонта в связи с высоким содержанием углекислоты. Загрязненные грунтовые воды оказывают коррозионное воздействие на стены подземных частей сооружений. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Диссертация представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи по инженерно-геологическому обоснованию проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий на территории рассмотренных групп доминантных кластеров в Санкт-Петербурге. 1. На основе анализа мирового опыта показана необходимость освоения и использования подземного пространства при высотном строительстве с целью увеличения надежности конструкции, а также получения дополнительных площадей внутри сооружения. 18 Отмечено, что ошибки, сделанные при изысканиях и включающие определение механических свойств грунтов по методикам, не отвечающим поведению грунтов, а также отсутствие прогнозирования негативных процессов и явлений в подземном пространстве, оказывают влияние на корректность обоснования технологии устройства котлованов, оценки их устойчивости и выбора надежных ограждающих конструкций. 2. Территория Санкт-Петербурга располагается в зоне широкого развития погребенных долин в коренных отложениях осадочного чехла, приуроченных к тектоническим разломам. Четвертичные отложения не обладают достаточной несущей способностью для использования в качестве оснований высотных зданий и должны рассматриваться, в первую очередь, как вмещающая толща для котлованов и фундаментов глубокого заложения. 3. Основанием высотных зданий могут служить верхнекотлинские глины верхнего венда либо «синие» глины нижнего кембрия, имеющие зональное строение по трещиноватости и показателям физико-механических свойств в зависимости от глубины, каждая зона характеризуется определенной интенсивностью трещиноватости, диапазоном изменения влажности и плотности. Зональность строения нарушается в зонах тектонических разломов. 4. Произведено обоснование выбора показателей физикомеханических свойств, необходимых для расчетов длительной устойчивости зданий с учетом влияния микрои макротрещиноватости верхнекотлинских глин на их прочность и деформационную способность в соответствии с особенностями взаимодействия тяжелого сооружения и дезинтегрированного основания. 5. Произведена систематизация основных инженерногеологических факторов, учет которых необходим для повышения безопасности устройства глубоких котлованов, а также для обеспечения длительной устойчивости высотных зданий. 6. Обоснована необходимость изучения структурно-тектонических условий (разломов и погребенных долин), подчеркивается, что при оценке инженерно-геологических особенностей территории 19 необходимо проводить исследования контаминации подземной среды в историческом аспекте. Наиболее значимые работы по теме диссертации Жукова А.М. Анализ и оценка возможности прорывов подземных вод при ведении работ нулевого цикла строительства в пределах многофункционального комплекса «Балтийская жемчужина»// Записки Горного института. Т.173. СПб, СПГГИ (ТУ), 2008, с.10-13. 2. Дашко Р.Э. Некоторые данные по инженерно-геологическому обоснованию высотного строительства в Санкт-Петербурге/ Р.Э. Дашко, О.Ю. Александрова, А.М. Жукова// Труды международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство». Т. 4. СПб, 2008, с.485-490. 3. Жукова А.М. Инженерно-геологическое обоснование возможности высотного строительства в Санкт-Петербурге// Записки Горного института. Т.182. СПб, СПГГИ (ТУ), 2009, с.25-30. 4. Жукова А.М. Инженерно-геологический анализ строительства высотных зданий в Санкт-Петербурге (на примере локальной зоны правобережья р. Невы)// Материалы III Всероссийской научнопрактической конференции молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике». Белгород, 2009, с. 155-158. 5. Жукова А.М. Инженерно-геологические и гидрогеологические особенности оценки условий строительства и эксплуатации высотных зданий (на примере локальной зоны правобережья р. Невы)// Записки Горного института. Т.186. СПб, СПГГИ (ТУ), 2010, с.13-17. 6. Дашко Р.Э. Инженерно-геологические проблемы строительства высотных зданий в Санкт-Петербурге в условиях освоения подземного пространства// Р.Э. Дашко, А.М. Жукова// Записки Горного института. Т.189. СПб, СПГГИ (ТУ), 2011, с.18-22. 1. 20