Использование геофизических методов для обнаружения ослабленных зон Сыктывкара

В последние годы происходит резкое увеличение транспортных потоков в городах и на федеральных автомагистралях, что оказывает влияние на верхнюю часть разреза геологической среды. В результате она претерпевает изменения, чаще всего негативного характера, в частности снижение первоначальных несущих свойств грунтов [5]. Особенно заметны такие процессы в северных широтах Российской Федерации. В Республике Коми они выражены коротким сроком жизни автодорог и образованием трещин в жилых панельных и кирпичных домах вследствие просадки грунта в основаниях фундаментов. Поэтому весьма актуальным становится вопрос прогноза и обнаружения потенциально опа- сных, «ослабленных» зон, обладающих минимальной устойчивостью среды к различным источникам ква-зиволновых колебаний. Геофизик В. А. Лютоев дает следующее определение: «Ослабленная зона — это локальный участок в зоне техносфер-ного влияния, где может происходить или уже произошло аномальное снижение несущих свойств грунтов по сравнению с окружающими грунтами того же типа с последующим негативным проявлением этих свойств по отношению к зданиям и инженерным сооружениям» [6]. По мере изучения этой проблемы были проведены вибропенетрационные исследования грунтов, отобранных в южной части Республики Коми, в Сыктывкаре, а также на террасах рек Сысолы и Вычегды, подвер женных оползневым процессам [8— 10]. В результате получены экспериментальные зависимости поведения грунтов четвертичных отложений от вибродинамического воздействия с относительными ускорениями 0.001—1.2 g и продолжительностью до одной минуты:

• —    глины и суглинки предельного водонасыщения переходят из пластичного состояния в текучее при значениях от 0.06 g;

• —    снижение прочности маловлажных и водонасыщенных песков начинается при 0.059 g для пылеватых песков, 0.069 g для мелкозернистых песков;

• —    остальные типы грунтов — суглинки и супеси маловлажные, пески более крупной фракции — попадают в большой диапазон динамиче-

• ских нагрузок — 0.079—0.731 g, когда глины и суглинки маловлажные из тугопластичного состояния переходят в пластичное состояние, маловлажные крупные пески часто подвержены процессу разрыхления (дилатансии).

С появлением современной высокоточной геофизической аппаратуры стало возможным изучение поведения грунтов при воздействии вибраций в верхней части геологического разреза в условиях их естественного залегания. Для опробования геофизических методов в обнаружении ослабленных зон был выбран опытно-экспериментальный участок в IV мкр-не Эжвы в пределах ул. Менделеева, д. 3, 5, 7, 11, 15 и ул. Мира, д. 2/11 (рис. 2.), предположительно отнесенный к неблагоприятной зоне для строительства в результате визуальной оценки состояния зданий (рис. 1).

Геологические данные

Согласно инженерно-геологическим данным верхняя часть разреза имеет следующее геологическое строение*:

• —    под почвенно-растительным слоем чаще всего залегают флювиогляциальные отложения мощностью 0.2—1.0 м, характеризующиеся присутствием песков, супесей и изредка тонким переслаиванием их суглинками;

• —    флювиогляциальные отложения перекрывают собой суглинки верхнеморенного возраста, которые местами залегают непосредственно под почвенно-растительным слоем; мощность отложений варьирует от 1.6 до 4.4 м; в толще суглинков и её основании присутствуют песчаные и песчано-галечные отложения в виде прослоев и линз, супеси;

• —    верхнеморенные отложения подстилаются суглинками нижнеморенного возраста, мощность которых 4.5—8.0 м; в небольших количествах наблюдаются прослои и линзы песчаных и песчано-гравийно-галечных отложений мощностью до 1.2 м.

Верхний геологический разрез рыхлых отложений на данной территории сформировался в период Валдайско-Окского оледенения, около 10 тыс. лет назад, т. е. относительно недавно, поэтому можно

Рис. 1. Внешнее состояние жилых домов на экспериментальном участке, мкр-н Эжва Fig. 1. External condition of houses on the experimental site, microdistrict Ezhva

с уверенностью говорить о «незрелости» грунтов, в которых процессы естественного уплотнения еще не завершены, а в обводненных грунтах особенно.

Комплексирование методов исследований

Для решения поставленной задачи был определен комплекс геофизических исследований, который состоял из методов вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и вибросейсмометрии (ВСМ). Каждый из методов решает свои задачи.

Метод ВЭЗ позволяет получить геоэлектрический разрез с помощью специальной аппаратуры, рассчитанной для работы в сложных условиях геологической среды, вмещающей в себя линейные инженерные сети связи и подводы/отводы коммуникаций тепло- и водоснабжения. На основе геологических данных осуществляется литологическое расчленение геоэлектрического разреза на слои.

Метод ВСМ позволяет оценить уровень вибросейсмических воздей ствий на грунты посредством регистрации максимальных пиковых значений виброускорения, виброскорости и смещения грунта в основаниях фундаментов зданий и проведения полнофункционального анализа сигналов, спектрального анализа волновых колебаний в заданном частотном диапазоне [1]. Сопоставляя уровни ускорения, определенные акселерометром на объекте исследований, с инженерно-геологическими данными о грунтах четвертичного периода (палеточные данные), можно дать приближенную оценку вибросей-мических воздействий на аналогичные генетические типы грунтов под фундаментами зданий исследуемого участка.

Аппаратурная база

Для проведения ВЭЗ применялась компьютизированная низкочастотная цифровая электроразведоч-ная станция «Электротест-С» (частота генерации переменного тока 0.625—20 Гц) с соотношением токовых электродов и приемных электродов, отвечающим формуле элек- трического зонда Шлюмберже. Техническая возможность подавления промышленных помех тока с частотой 50 Гц аппаратуры составляет не менее 80 дБ. В момент измерений электрозонд был ориентирован в крест простирания инженерных сетей. Точки зондирования распределялись неравномерно, но не далее 50 м друг от друга. Обработка кривых сопротивлений и построение ге-оэлектрического разреза осуществлялось с помощью программы IPI-2win.

Для проведения ВСМ применялась 24-разрядная цифровая сейсмическая станция ZET 048-C, измерения проводились в частотном диапазоне 0.3-200 (0.3-40) Гц. Обработка вибросейсмических сигналов осуществлялась с помощью программы ZETLab SEISMO. Блок программы «Виброметр» позволял измерять среднеквадратичные и пиковые значения ускорения, создавать виртуальные каналы мгновенных значений виброскорости и виброперемещения. Выходные сигналы для этой программы получены с трехкомпонентного акселерометра ВС-1313 с максимальной возможностью измерения ускорения 10 м/с2 при чувствительности 0.53 В/(м/с2). В блоке «Параметры спектрального анализа» были заданы настройки регистратора, что давало возможность представлять результаты расчетов по спектральной плотности, спектральной мощности, среднеквадратичным и пиковым значениям (в линейном масштабе — в выбранной единице измерения, в логарифмическом — в дБ).

Интерпретация геофизических данных

Интерпретация результатов ВЭЗ и сопоставление их с априорными геологическими данными показали, что геологическая среда района исследований сложена сверху вниз чередующимися слоями супесей — 35— 65 Ом-м, песков флювиогляциального происхождения — 80—300 Ом∙м, по большей части обводненных — 80—150 Ом-м, суглинков и пластичных глин флювиогляциального происхождения с аномально низкими удельными электрическими сопротивлениями 8—16 Ом-м, что соот-

Рис. 2. Вертикальное электрическое зондирование на экспериментальном участке: а) схема расположения профиля; б) геоэлектрический разрез

Fig. 2. Vertical electrical sounding on the experimental site: a) location scheme of the rofile; b) geoelectric section

ветствует мягкопластичным глинам и суглинкам верхнеморенных отложений с прослоями водонасыщен -ных песков (90—170 Ом∙м) (рис. 2). Исходя из полученного геоэлектри-ческого разреза, с учетом геологических данных был сделан вывод, что на экспериментальном участке наиболее вероятны просадки грунтов в пластичных породах над обводненными супесями и песками в моменты сезонного водонасыщения. Этот процесс является основной предпосылкой в возникновении деформаций фундаментов зданий на экспериментальном участке.

Точки измерения ВСМ брались непосредственно на самом фундаменте зданий*. Оси 0х и 0у имели направления N — S и E — W соответственно, 0z — вертикально вниз. В результате были получены пиковые и среднеквадратичные значения по ускорению (м/с2), скорости (м/с) и смещению (м). Всего определено 18 точек наблюдений, получено 108 спектров амплитудно-частотного содержания и 378 волновых сигналов ускорения, скорости и смещения в условиях частоты дискретизации сигналов 1000 Гц. Ввиду непрерывного движения автотранспорта и наличия других наблюдаемых техногенных источников колебаний постоянного воздействия ра бочий цикл измерения в каждой точке был выбран пять минут (и явился достаточным периодом одного рабочего цикла) с двойным повтором измерений в последующие два дня в соответствии с ГОСТ Р52892-2007. Все исследования проводились в летний период. При продолжительном действии вибрационных нагрузок основная опасность исходит от сдвиговых напряжений [3]: в ближней зоне 5—12 м — при распространении объемных волн, т. к. они ведут к разуплотнению грунта в горной породе; в дальней зоне от 100 м — при преобладающем распространении поверхностных волн. При анализе максимальных значений амплитуд основное внимание отводилось соотношению значений сдвиговых составляющих объемной S-волны и поверхностных волн (R, L) по виброускорению (виброскорости и смещению), которые регистрировались по горизонтальной и вертикальной компоненте в ближней и дальней зонах. Однако поверхностные волны Рэлея в условиях водонасыщения грунтов и гидростатического обжатия вызывают уплотнение грунтов и, следовательно, увеличивают их прочность. Волны Лява в тех же условиях оказывают более негативное влияние в силу природы своего происхождения. Поэтому в реальной

Измеренные пиковые значения вибрационного воздействия на грунтовую толщу экспериментального участка Measured peak values of the vibration impact on ground layer of the experimental site

№ ПН Пиêовые значения a, м/с2 их10-3м/с Sx10-3m a, м/с2 их10-3м/с Sx10-3m a, м/с2 их10-3м/с Sx10-3m Êомпонента Х Êомпонента Y Êомпонента Z 1 0.009 0.028 0.004 0.033 0.171 0.003 0.023 0.207 0.003 2 0.014 0.04 0.003 0.002 0.021 0.003 0.004 0.029 0.003 3 0.042 0.058 0.003 0.004 0.023 0.003 0.015 0.031 0.004 4 0.021 0.022 0.003 0.011 0.059 0.003 0.034 0.064 0.004 5 0.027 0.03 0.005 0.012 0.049 0.003 0.009 0.101 0.004 6 0.06 0.287 0.004 0.002 0.022 0.004 0.004 0.024 0.003 7 0.011 0.021 0.003 0.009 0.045 0.003 0.007 0.025 0.003 8 0.001 0.018 0.003 0.003 0.022 0.003 0.004 0.044 0.003 9 0.002 0.022 0.003 0.004 0.025 0.003 0.01 0.03 0.004 10 0.002 0.018 0.003 0.02 0.092 0.003 0.064 0.088 0.003 11 0.022 0.033 0.003 0.005 0.017 0.003 0.024 0.661 0.004 12 0.053 0.075 0.006 0.019 0.174 0.003 0.016 0.171 0.005 13 0.009 0.026 0.003 0.019 0.052 0.003 0.001 0.027 0.004 14 0.006 0.019 0.003 0.012 0.054 0.003 0.085 0.073 0.004 15 0.003 0.026 0.004 0.003 0.027 0.003 0.006 0.041 0.003 16 0.009 0.065 0.002 0.013 0.045 0.003 0.014 0.121 0.004 17 0.015 0.032 0.002 0.004 0.03 0.001 0.008 0.022 0.004 18 0.177 0.124 0.004 0.003 0.028 0.004 0.004 0.026 0.003 среде такие частные моменты необходимо рассматривать в комплексе, что усложняет общую картину степени влияния объемных и плоских волн на основания фундаментов зданий. Такие выводы сделаны из ранее выполненных работ, например, связанных с определением допустимого минимального расстояния от высокочувствительных станков и инженерных сооружений до площадки забивки свай [7, 8].

Полученные результаты измерений пиковых значений амплитуд ускорения, скорости и смещения почвы приведены в таблице и частично на рис. 3 (по компоненте X). Полужирные цифры в таблице указывают наибольшие значения на момент их регистрации. При анализе этих значений наши рассуждения основываются на том, что мы изучаем природно-техногенную среду, в которой несущие свойства грунтов меняются от воздействия вибросей-смического поля. Это воздействие с определенных величин амплитуд ускорения, указанных выше, приводит к снижению несущих свойств грунтов, в результате чего происходит смещение фундамента зданий. Таким образом, исходя из пиковых амплитудных значений соотношения ускорения, скорости и смещения фундамента необходимо выбрать алгоритм оценки выявления условий, при которых наиболее вероятны проявления просадки грунтов. Такие процессы в первую очередь будут происходить в ослабленных зонах. Вибропенетрационные испыта ния грунтов показывают, что просадка испытуемых грунтов начинается с определенных пороговых значений ускорения: первое значение, при котором начинается снижение прочности грунтов, называется ускорением предела структурной прочности; второе — ускорением связности [4]. В конечной фазе при ускорении связности и выше, по мнению Ю. Я. Велли, наблюдается полное нарушение структурных связей в увлажненных и водонасыщенных несвязных грунтах [2]. Пылеватые и мелкие пески в условиях водонасыщения обычно сразу переходят в плывунное состояние. Разупрочнение связных грунтов имеет также три стадии, разделяемые двумя критическими ускорениями. Связные грунты переходят в плывунное состояние только при достижении второго критического ускорения, а грунты текучей консистенции, минуя первые две стадии, переходят в такое состояние сразу.

Обратимся к анализу данных метода ВСМ. Полученные максимальные значения находятся в типичном диапазоне параметров вибрации зданий для некоторых техногенных источников возбуждения колебаний по ГОСТ Р 52892 (раздел 5.2.2). Максимальное пиковое ускорение (0.177 м/с2) отмечается под фундаментом дома № 2/1 (точка 18) (рис. 3, а). Рядом с этой точкой наблюдений в момент измерений работали силовые агрегаты с высокочастотными излучателями — проводились дорожно-ремонтные работы. В строительных нор мах и правилах СНиП 2.02.01-83, СНиП 2.02.03-85, ГОСТ 12.1.012-90, СН 2.2.4/2.1.8.566-96, МГСН 2.04-97 говорится о том, что основным параметром сравнения предельно допускаемой величины вибрации является скорость. Скорость колебаний в этом пункте высокая, но амплитуда смещения незначительна, поэтому здесь в виду высоких значений упругих сил восстановления первоначальных прочностных параметров горной породы просадка не произойдет. На рис. 3, г видно, что максимальное значение смещения почвы под фундаментом дома № 5 (0.006 мм, точка 12) происходит в условиях относительно малого значения виброускорения, что говорит уже о вторичных процессах — просадке фундамента с одновременным излучением длинных волн малого ускорения. Возвращаясь к геоэ-лектрическому разрезу, видим, что эта точка наблюдения находится над областью повышенного градиента уклона горизонта пластичных грунтов в разрезе. Таким образом, здесь наиболее вероятны сдвиговые деформации в условиях растягивающих действий пластичных пород и, следовательно, наибольшие повреждения в строительной конструкции межпанельных перекрытий в условиях перераспределения общего вектора момента сил по всему зданию.

Общепринято, что пиковое значение скорости в наибольшей степени коррелировано с риском повреждения конструкций зданий, т. к. характеризует энергию вибросейсми- 17

Рис. 3. Измерения уровня вибросейсмических колебаний на экспериментальном участке:

а) схема расположения пунктов наблюдения; б) распределение виброускорений; в) распределение виброскоростей; г) распределение смещений грунта

Fig. 3. Measurements of the vibroseis fluctuations level on the experimental site:

a) location scheme of the observation points; b) distribution of vibroaccelerations; с) distribution of vibrovelocities; d) distribution of soil displacements

ческих волн, важную роль играет еще и длительность воздействия. В совокупности эти факторы дают возможность определить негативное воздействие на конструкцию, когда сразу учитывается перемещение контролируемой точки и энергетическое воздействие от сил, вызвавших вибрацию. На рис. 3, в максимальное значение виброскорости (0.287х10-3 м/с, точка 6) достигается под фундаментом дома № 11, поэтому данный участок в условиях средних значений смещения почвы мы относим к умеренно опасным. Эта точка характеризует уровень техногенного воздействия на удалении двадцати метров от работы компрессорной машины при ремонте асфальтового покрытия пешеходного тротуара. Здесь наиболее ярко выражено воздействие природно-техногенного источника излучения на среду распространения колебаний. Согласно ГОСТ Р 52892, такое максимальное значение вибро- скорости не превышает рекомендуемое предельное значение при продолжительной вибрации для сооружений категории 2 (жилые здания и здания, имеющие аналогичную конструкцию или назначение).

Выводы

На экспериментальном участке по результатам интерпретации ге-оэлектрического разреза выделяются потенциально опасные по глубине разреза горизонты: переслаивание обводненных супесей и пластичных глин (суглинков) и зоны перехода от обводненных песков к пластичным глинам (суглинкам). По результатам вибросейсмических исследований на основе анализа соотношений пиковых значений скоростей, ускорений и смещений грунтов приведен алгоритм выделения ослабленных зон как наиболее опасных, влияющих на скорость износа жилых зданий.

Такой тип комплексирования геофизических методов с использованием геологических и инженерно-геологических данных может служить для детализации карт микро -сейсмического районирования в качестве дополнительного метода в определении приращения балльности в рыхлых отложениях в условиях отсутствия скальных грунтов. Кроме того, рекомендуется проводить такие исследования при проектировании и строительстве жилых, административных зданий и инженерных сооружений промышленного назначения в условиях неблагоприятной геологической обстановки в подстилающих грунтах с целью рассмотрения вопроса о снижении этажности построек или дополнительного укрепления фундамента (увеличения площади или глубины заложения).

Работа выполнена при поддержке проекта 15-18-5-11 Программ УрО РАН.