Оценка причин деформаций сооружений, возведенных на техногенных грунтах Абаканской агломерации

В связи с повсеместным распространением техногенных грунтов в границах Абаканской агломерации вопрос об их изучении стоит особо остро. Недостаточное изучение техногенных грунтов в пределах предполагаемой глубины сжимаемой толщи сферы взаимодействия фундаментов и грунтов основания иногда приводит к принятию неверных и нерациональных решений по устройству. Результатами таких решений являются недопустимые и неоднородные деформации грунтов основания, что приводит к деформированию конструкций зданий и сооружений. Под техногенными авторы понимают грунты, измененные, перемещенные или заново образованные в результате инженерно- хозяйственной деятельности человека (Вознесенский, 2019).

Вопросы классификации техногенных грунтов рассмотрены в работах Е.М. Сергеева (1957); Ф.В. Котлова (1962); М.И. Хазанова (1975); А.М. Худайбергенова (1980); А.П. Афонина и др. (1990); Р.С. Зиан-гирова, В.Т. Трофимова (1995); Е.Н. Огородниковой, С.К. Николаевой (2004); В.Т. Трофимова, В.А. Королева, Е.А. Вознесенского и др. (2005), А.А. Каздым (2014); Е.А. Вознесенского (2019); Н.В. Абакумовой, С.К. Николаевой, Е.Н. Самарина (2021). Вопросами проектирования и строительства зданий и сооружений на техногенных грунтах занимались такие ученые, как Ю.М. Абелев, В.И. Крутов (1962, 1988); А.Б. Пономарев, А.В. Захарова (2013).

Эта работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите

Использование промышленных отходов для устройства оснований зданий и сооружений рассмотрено в работах О.А. Савинова (1949), Ю.М. Лычко (1982), В.И. Каминской (2011), Н.А. Ларионовой (2017). В работе А.Б. Пономарева и А.В. Захарова (2014) осуществлен ряд прогнозных геотехнических расчетов для моделирования осадок грунтового основания в период строительства жилого комплекса. Обсуждаются способы контроля и оценки осадок и деформаций зданий и сооружений.

В исследованиях Ф.В. Котлова (1947), А.А. Каздыма (2007), Д.Ю. Здобина (2008), В.М. Улицкого и др. (2010), Е.М. Пашкина (2013) представлены подходы по типизации, литогеохимическим особенностям культурного слоя, моделированию напряженно-деформированного состояния грунтовых оснований исторической застройки.

Отдельные исследования посвящены (Гальперин, 2006; Викторова, 2007) проблемам формирования городских свалок различных видов. Рассмотрены основные направления складирования и переработки отходов, принципы экспертных оценок и классификации свалок, а также различные аспекты экологически безопасного формирования этих специфических техногенных массивов.

Сведения об особенностях формирования, состава, строения и свойств техногенных отложений разных регионов нашей страны приводятся в работах Ф.В. Котлова (1962), В.И. Осипова и др. (1997), И.Н. Смирнова и др. (2024) для Москвы; Л.П. Норовой, Т.Н. Николаевой (2014), М.А. Карасева и др. (2023) для Санкт Петербурга; А.Ю. Герасимова и др. (2024) для Краснодарского края; Н.И. Жарковой и др. (2013) для Казани; С.А. Сазоновой, А.Б. Пономарева А.В. Захарова и др. (2013, 2014), И.С. Копылов (2022) для Перми; А.С. Шешнёва и др. (2013) для Саратова; Н.В. Осинцевой, Н.С. Евсевой (2012) для Томска; Т.Г. Константиновой, И.Ф. Делемень (2013) для Петропавловска-Камчатского; В.Н. Макарова, Н.В. Торговкина (2018) для Якутска.

Цель исследования – рассмотреть условия, природные и техногенные факторы формирования и развития деформаций зданий и сооружений, возведенных на техногенных грунтах территории Абаканской агломерации, что станет научной основой для их мониторинга и управления.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

• 1)    анализ отечественного и зарубежного опыта строительства и эксплуатации сооружений на техногенных грунтах;

• 2)    сбор, систематизация и анализ имеющихся территориальных геологических, гидрогеологических сведений, результатов инженерных изысканий;

• 3)    установление причин деформаций.

Методы исследования . Для решения поставленных задач в работе применены методы анализа и обобщения литературных источников, статистические методы обработки данных, полевые исследования грунтовых массивов, обследование технического состояния фундаментов и конструкций.

Научная значимость исследования заключается в получении новых результатов (новых знаний) о пространственной дифференциации распространения и особенностях техногенных отложений района исследования. Практическая значимость заключается в использовании результатов в целях строительного освоения территории.

Исследование проведено осенью 2024 г. в отделении геологии ТПУ, включало анализ литературных и фондовых материалов об инженерно-геологических изысканиях и работ по обследованию строительных конструкций, выполненных при участии Д.Ю. Сагалакова за период с 2012 по 2024 г. В рамках работ по изучению грунтов Абаканской агломерации были собраны и обобщены данные по 63 объектам, имеющим в основании техногенные грунты.

Аварийные деформации зданий и сооружений, построенных на техногенных грунтах Абаканской агломерации

Холодный склад по адресу: Республика Хакасия, Алтайский район, в 350 м правее автодороги Абакан-Саяногорск, 15 км+800 м

Здание склада, вертолетная площадка, а также элементы благоустройства получили деформации в виде трещин до в процессе уплотнения грунтов основания (рис. 1). Техногенные грунты вскрыты повсеместно и залегают мощностью более 18,0 м.

a

Рис. 1. Холодный склад (в 350 м правее а – общий вид, б – деформация стен здания

б

автодороги Абакан-Саяногорск, 15 км+800 м):

Грунты, представленные разнородным материалом – от крупнообломочных до глинистых грунтов, появились после отсыпки вскрышной породой из угольного карьера в отвалы данной территории более 20 лет назад, по продолжительности самоуплотнения – слежавшиеся. Однако в процессе проходки выработок были обнаружены полости (трещины до 1–2 см) в толще грунтов, это свидетельствует о том, что процесс самоуплотнения и консолидации не завершен. Техногенные насыпные песчаные грунты образованы в процессе выветривания песчаников. Процесс выветривания еще не завершился, имеется большое количество включений литифицированных осадочных пород. В процессе выветривания происходит разрушение скальных (полускальных) осадочных пород до мелкодисперсной фракции, заполняя пустоты в грунтовой толще, образованные в процессе отсыпки отвалов, далее происходит осадка грунтового массива от собственного веса грунта. Насыпные песчаные грунты неоднородные, в процессе ин- тенсивной инфильтрации воды через тело насыпи существует опасность суффозионно-го выноса мелкой фракции из грунтового массива и, как следствие, дополнительной осадки грунта.

Данные грунты в качестве грунтов основания без разработки специальных мероприятий (прорезка насыпных грунтов, устройство перекрестных лент, плитного фундамента) для стабилизации неравномерных деформаций не допускаются.

Операторная, сервисное здание с автомойкой многотопливной автозаправочной станции с пунктом автосервиса по адресу: г. Абакан, ул. Набережная, 06, Лит. В

По результатам проведенного обследования фундаментов и грунтов основания в 2024 г. было установлено, что грунтами основания являются техногенные насыпные грунты, представленные галечниковыми грунтами с глинистым заполнителем (рис. 2).

а

б

Рис. 2. Операторная, сервисное здание с автомойкой многотопливной автозаправочной станции с пунктом автосервиса (г. Абакан): а – обмеры фундамента, б – деформации фундаментов

Мощность техногенных грунтов в пределах сжимаемой толщи основания фундаментов составила 0,5–0,6 м. Здание получило деформации стен и фундаментов в виде раскрытия трещин до 5 мм. В процессе проходки шурфа в районе деформированного участка здания установлено, что фундаменты здания ленточные из сборных бетонных блоков. Фундамент также получил деформации в виде раскрытия трещин. Одной из возможных причин деформаций сооружения является замачивание грунтов основания из коммуникаций сточных вод, что привело к ухудшению прочностных и деформационных свойств грунтов основания.

Помещение выставочного зала музея Мартьянова в г. Минусинск

По результатам инженерно-геологических изысканий, проведенных в 2021 г., установлено, что фундаменты здания мелкозаглуб-лённые сборные ленточные (рис. 3). Ранее производились работы по их усилению, однако они выполнены не качественно. По данным вскрытия шурфов установлено, что усиление выполнено не в полном объеме: техногенный глинистый грунт с включением строительного мусора не был замещен полностью. Техногенный грунт представлен смесью глинистых грунтов со строительным мусором, мощностью 0,8 м, имеет различные деформационные характеристики, а в период промерзания-оттаивания обладает пучини-стыми свойствами. К тому же подстилающими грунтами являются глинистые грунты, которые также обладают пучинистыми свойствами. В процессе усиления не были выполнены теплоизоляционные мероприятия. В результате стены здания получили деформации в виде раскрытия трещин более 3,0 см.

Нежилое здание, расположенное по адресу: г. Минусинск, ул. Красноармейская, 2, лит. В5, лит. В6

По результатам проведенных исследований в 2019 г. установлено, что грунтовое основание представлено разными напластованиями с различными физико-механическими характеристиками (рис. 4). Вблизи осей 9–12 грунтами основания являются пески от пылеватых до мелких, степень плотности средняя, а вблизи осей 2–4 грунтами основания являются техногенные грунты, представленные разнородным составом (шлак, ПРС, строительным мусор), далее подстилаются песками от пылеватой до мелкой фракции со степенью плотности от рыхлой до средней. Глубина заложения фундаментов неодинакова (рис. 5).

а                                   б

Рис. 3. Выставочный зал музея Мартьянова в г. Минусинск: а – общий вид, б – деформированный участок стены, в –шурф вблизи деформированного участка стены

в

а

б

в

Рис. 4. Нежилое здание, расположенное по адресу: г. Минусинск, ул. Красноармейская, 2. а – общий видОт,н. ботм.,–м деформированный участок стены, в – шурф вблизи деформированного участка стены

0,00

Техногенный грунт

-1,00

- 2,00

- 3,00

- 4,00

- 5,00

Пески пылеватые и мелкие

Галечниковый грунт

Шурф 028.19/ М

0,30

Шурф 029.1

-0,80

-4,75

Шурф 031.19/ М

-0,80

.19/ М     Шурф 030.19/ М

-0,80

Масштаб: - 6,00 верт. 1:50 гориз. 1:500

№ выработки

Отн отм. устья, м

Расстояние, м

Рис. 5. Инженерно-геологический разрез участка по адресу: г. Минусинск, ул. Красноармейская, 2

По результатам обследования даны рекомендации по устранению аварийного состояния здания: в связи с залеганием разнородного грунтового основания требуется прорезка сильнодеформируемых слоев с заложением новых фундаментов на надежные гравийно-галечниковые грунты. В связи с промерзанием и морозным пучением грунтов под подошвой фундаментов наружной стены (северной) в период оттаивания происходили дополнительные деформации. В результате эта стена получила большие деформации, чем деформации поперечных стен, под которыми длительное время не происходило промерзание-оттаивание (рис. 6). Возможные промерзания грунтов до трёх метров, которые происходят раз в двадцать лет, а иногда и два раза за этот период, приводят к необходимости пересадки фундаментов на галечниковый грунт, который к тому же находится ниже глубины промерзания. Это обеспечит недеформируемость северной стены и надёжность анализируемого объекта.

а

б

Рис. 6. Работы, выполненные по усилению фундаментов нежилого здания, расположенного по адресу: Красноярский край, г. Минусинск, ул. Красноармейская, 2

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе анализа фондовых материалов на объектах с деформациями зданий и сооружений, связанных с залеганием техногенных грунтов в основании фундаментов, выявлены разнородные типы и виды техногенных грунтов, характерные для застроенной части Абаканской агломерации.

Техногенные грунты территории объединяются по генезису в пять основных групп: перемещенные насыпные грунты планомерно возведенных массивов и насыпей; перемещенные намывные грунты в составе земляных сооружений; антропогенные грунты, представленные отходами производств; антропогенные грунты, представленные бытовыми отходами; антропогенные грунты культурного слоя.

Наиболее частой причиной появления деформаций зданий, сооружений является недоучет состава, строения, состояния и свойств техногенных грунтов в процессе проектирования и строительства объектов. Опыт строительства показывает, что имеется ряд сложностей, связанных со специфическими характеристиками техногенных грунтов, а именно разнородностью состава и сложения, различной сжимаемостью, длительным самоуплотнением за счет собственного веса; различной мощностью техногенных грунтов; недостаточной изученностью физико-механических свойств таких грунтов.

Аварийные деформации сооружений чаще всего наступают при изменении инженерногеологических условий, происходящих после завершения строительства, либо при отсутствии наблюдения за состоянием объекта.

Одной из причин деформаций являются также ошибки, допущенные при проектировании, например несоблюдение существующих норм и правил строительства при возведении сооружений, или неполное соответствие принятых проектных решений материалам инженерно-геологических изысканий.

Другой причиной следует считать нарушение правил эксплуатации зданий и сооружений.

Выводы

Полное изучение состава, строения, состояния и свойств техногенных грунтов является важнейшим фактором безаварийной эксплуатации инженерных сооружений. Принятие проектных решений при отсутствии необходимых исследований свойств техногенных грунтов в отдельных случаях приводит к аварийных ситуациям, описанных ранее. Инженерно-геологические условия территории исследования, в особенности распространение и свойства техногенных грунтов, имеют особый характер распространения с разнообразными формами залегания.

Данные исследования выступают в качестве научной основы для составления карт распространения техногенных грунтов, что позволит эффективно размещать сооружения, своевременно обнаруживать предпосылки к возникновению деформаций, отслеживать интенсивность, прогнозировать развитие в ближайшей перспективе, чтобы исключить возможность их отказов.