Реферат: Применение спектральной сейсморазведки для решения задач инженерной геологии
Испокон веков осуществление разного рода строительных работ основывается на стратегических, экономических, эстетических принципах, но так сложилось, что до сих пор никогда не учитывались геологические моменты. Это происходило из-за слабой изученности механизмов влияния строения земной толщи на надежность инженерных сооружений. Строго говоря, инженерно-геологические изыскания производятся, но если учесть, что результаты их практически никогда не влияют на решения, принятые до проведения изысканий, нельзя не признать, что производятся они чисто формально.
Известен тезис строителей о том, что строить можно везде. Если строительная площадка пересекается речкой или ручьем – их засыпают, если она приходится на заболоченную местность – снимают торф, осуществляют подсыпку, забивают сваи, и задачу подготовки площади под строительство считают решенной.
Однако давно замечено, что затем, когда инженерное сооружение уже построено, а иногда, и в период строительства, в этих зонах возникают осложнения. Причем осложнения такого рода, как если бы грунт в этих зонах имел пониженную несущую способность или, иначе говоря, повышенную податливость. В домах развиваются трещины, автомобильные дороги и железнодорожные пути в этих зонах требуют более частого ремонта и характеризуются повышенной аварийностью проходящего по ним транспорта, увеличивается аварийность трубопроводов.
Тем не менее, строительная наука не учитывает влияние описанных зон на надежность сооружения, и поэтому, невзирая на имеющиеся прецеденты (давно уже сложившийся опыт), при строительстве эти моменты игнорируются.
Дело в том, что строительная наука предписывает относиться к грунту как к среде, обладающей упругими свойствами. Это позволяет считать, что слои осадочных пород под воздействием инженерных сооружений прогибаются. Естественно, что прогиб будет тем меньше, чем больше мощность (толщина) слоя. При этом расчеты и результаты лабораторного моделирования показывают, что для средних размеров сооружения при мощностях породных слоев, превышающих 10 – 15 м прогиб ничтожен настолько, что им можно пренебречь. Или, иначе говоря, на глубинах, превышающих 10 – 15 м, влияние со стороны инженерного сооружения на породы настолько мало, что его можно не учитывать.
Как следствие такого подхода, внимание при строительстве уделяется лишь приповерхностному породному слою (грунту), и если прочность его считается достаточной, то никаких ограничений на строительные работы уже быть не может. При недостаточной прочности породы приповерхностного слоя укрепляются сваями, что также должно способствовать повышению надежности возводимого сооружения.
Отношение к осадочным породам как к упругой среде имеет еще одно следствие. Наличие в земной толще какой-либо неоднородности типа, скажем, карста, при этом условии может сказаться на надежности сооружения только в том случае, если залегает эта неоднородность на глубинах, не превышающих тех же 10 – 15 м. Естественно, что залегающие на больших глубинах тектонические нарушения в расчет приниматься уж точно не должны.
Однако специально проведенные исследования [1] показали, что горные породы вообще и грунт, в частности, теории упругости не подчиняются, и реакция на внешнее воздействие давлением такова, как если бы породы представляли собой сильно спрессованный песок. Это резко меняет отношение к принципам и основам строительной науки.
В самом деле, если породные слои под воздействием неоднородной нагрузки не прогибаются, а разрушаются, то с глубиной действие этой нагрузки не уменьшается. И, следовательно, какова бы ни была мощность осадочного чехла, наличие тектонического нарушения в кристаллическом фундаменте оказывает влияние на всю толщу осадочных пород, находящихся непосредственно над этим нарушением.
Использование в качестве исследовательского аппарата нового геофизического метода спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [2] показало, что влияние тектонического нарушения на всю толщу осадочных пород, находящихся непосредственно над этим нарушением, действительно имеет место. Состоит это влияние в том, что во всем породном столбе, находящемся над тектоническим нарушением, постоянно идет процесс как бы залечивания нарушения. Этот процесс представляет собой микроперемещения частиц сверху вниз. Следовательно, осадочные породы в этой зоне находятся в тиксотропном, как бы неоформленном состоянии. Они податливы и проницаемы для жидкостей и газов. Об их состоянии можно судить по тому, что при разведочном бурении в этих местах взять керн не удается.
В силу такого влияния тектонического нарушения на всю толщу осадочных пород, именно в этих зонах происходит хроническое проседание грунта, образование болот, русел рек и ручьев. То есть, засыпая русла и извлекая торф при подготовке строительных площадок, осуществляется всего лишь как бы косметический ремонт зоны, несущая способность грунта в пределах которой от этого не повышается.
Что касается наличия прочного приповерхностного породного слоя, имеющего место даже в зонах тектонических нарушений, то дело здесь в следующем. Верхняя граница породного столба, обладающего повышенной микротрещиноватостью, перемещается снизу вверх по мере увеличения мощности осадочных пород. Однако раздавливающее действие вышележащих осадочных пород на нижележащие при приближении к дневной поверхности ослабевает, и из-за недостаточного давления приповерхностный породный слой участвует в процессе залечивания тектонического нарушения очень слабо. Медленное разрушение пород в приповерхностном слое будет продолжаться до тех пор, пока в зоне тектонического нарушения не начнутся строительные работы. Воздействие со стороны строительной техники, а затем, со стороны возведенного сооружения, эквивалентно увеличению мощности осадочных пород, то есть способствует ускорению движения вверх зоны повышенной микротрещиноватости вплоть до выхода ее на поверхность.
Приближение зоны повышенной микротрещиноватости к поверхности обуславливает снижение несущей способности грунта, или, иначе говоря, увеличение его податливости, а следовательно, ускорение погружения соответствующей части сооружения в грунт.
Причиной сложившегося противоречия между строительной наукой и практикой явились следующие обстоятельства. С одной стороны, лабораторное физическое моделирование свойств горных пород, не подчиняющихся теории упругости, осуществляется на материалах, которые теории упругости подчиняются – таких как оргстекло, стекло и даже металлы, что, естественно, неправомерно. С другой стороны, до сих пор не было средств, пригодных для надежного картирования тектонических нарушений. Поэтому, изучая карсты, плывуны, погребенные русла и прочие подобные объекты, никто не догадывался о том, что объекты эти являются вторичными, поскольку своим происхождением они обязаны наличию под ними тектонических нарушений.
Положение изменилось в связи с появлением метода ССП, с помощью которого оказалось возможным исследование и картирование как тектонических нарушений, так и вторичных, относительно их, геологических объектов.
Тектонические нарушения в кристаллическом фундаменте расположены хаотически, и попадание того или иного сооружения в зоны их влияния – дело случая.
Так, например, дворец Румянцева в Петербурге (Английская наб., д.44), был построен в середине XVIII века, и первые 70 лет его эксплуатации не доставляли никаких хлопот. Пристроенный к нему в 1826 году портик попал своей северо-восточной частью в край зоны тектонического нарушения, в результате чего один его угол стал погружаться в грунт со скоростью, превышающей скорость погружения основной части здания. Для того чтобы удержать портик, его жестко связали с основным корпусом стальными стяжками и стержнями. Однако произошло обратное. Портик стал увлекать за собой здание. В результате, возникла система трещин, которая буквально разрывает здание.
Особняк Румянцева – памятник культуры, охраняемый государством, и в связи с этим, предпринимались попытки поддержания его в приемлемом состоянии. Если бы ремонтные работы были направлены на то, чтобы остановить дальнейшее погружение портика в грунт, эти попытки были бы более удачными. К сожалению, вопреки нашим рекомендациям, под портик были подведены буронабивные сваи. Это было сделано для того, чтобы создать дополнительную опору для портика. Однако применение свай в зонах тектонических нарушений не дает положительного результата. В данном случае, сваи лишь увеличили вес погружающейся в грунт части сооружения, а следовательно, оказались фактором, способствующим ускорению его погружения.
Еще в работе [3] было отмечено, что существуют зоны, в которых сваи неэффективны. Мы, по сути, только внесли ясность, обнаружив, что зоны эти – зоны тектонических нарушений. Однако применение разного рода бетонных и железобетонных опор в этих зонах оказалось узаконенным [4], и это принесет еще немало неприятностей.
Несколько слов о методах борьбы с разрушениями сооружений, которые являются следствием неравномерных осадок. Здесь как в медицине, когда идет борьба со следствиями, а не с причинами порока, результат оказывается плачевным. Общеизвестные методы – это усиление свайных полей, возведение мощных подушек из бетона и железобетона. Однако бетонные конструкции не способны изгибаться, и когда под ними уходит грунт, который является их опорой, то рано или поздно, особенно, при наличии динамических, вибрационных воздействий, они разрушаются. Так произошло на Чернобыльской АЭС, построенной, как оказалось, на разломе, того же следует ожидать и на Северо-Западной ТЭЦ, где оба машинных зала оказались построенными в зонах тектонических нарушений.
Территория Северо-Западной ТЭЦ расположена в Ольгино, на северной окраине Санкт-Петербурга, в непосредственной близости от очистных сооружений, которые находятся в постоянно аварийном состоянии с самого начала своего строительства. Обследование методом ССП показало, что разрушение очистных сооружений происходит в точном соответствии с находящимися там тектоническими нарушениями.
Очистные сооружения возводились тогда, когда метода ССП еще не было, и поэтому винить в сложившейся там ситуации никого нельзя. Что же касается ТЭЦ, то ее территорию мы обследовали еще во время строительства, то есть тогда, когда еще можно было что-то сделать. В представленном руководству ТЭЦ отчете было показано, что оба машинных зала оказались в расположении тектонических нарушений, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поскольку эта информация не была учтена, то теперь этот объект в целом представляет для нас интерес как полигон для проверки правильности сделанного нами прогноза.
Характер разрушения инженерного сооружения, попавшего в зону тектонического нарушения, зависит от многих причин. Здесь ведь получается взаимное влияние между породами в зоне тектонического нарушения и характером воздействия со стороны сооружения, и при одном и том же состоянии пород разрушение сооружения будет происходить тем быстрее, чем больше вес сооружения, а также, чем больше динамическая составляющая воздействия с его стороны. Так, корпус больницы на Крестовском о-ве, построенный еще до войны, стал резко погружаться в грунт и разрушаться только после того как в одном из помещений был установлен пресс для производства лекарственных препаратов.
Влиянию со стороны тектонических нарушений подвержены и совсем незначительные объекты. Так, например, расположенный на территории Петропавловской крепости маленький одноэтажный Ботный домик. Он был построен в 1761 году, и сколько мы его помним, практически постоянно ремонтируется, поскольку в его фундаменте и стенах постоянно развивается трещина, которая делит домик примерно пополам.
Для выяснения причины этого, в 1997 году вокруг здания было осуществлено обследование методом ССП. На рис. 1 приведен ССП-разрез, полученный при профилировании в северо-западном направлении, вдоль фасадной стенки Ботного дома, в которой развивается трещина.
Приведенный на рис. 1 ССП-разрез представляет собой совокупность спектральных изображений сейсмосигналов, полученных при проведении сейсмоизмерений с шагом, равным 2 м. Каждое утолщение на вертикальной оси соответствует уровню микронарушенности пород [5]. Как видно из рисунка, участок профиля 20-32м характеризуется породами, имеющими повышенную микронарушенность, что соответствует большей податливости грунта.
Видимое на ССП-разрезе различие в уровне микронарушенности касается пород на глубинах 30-40 м, однако это является индикацией состояния пород до самой поверхности, что и подтверждается характером разрушения сооружения. Таким образом, причина появления трещины в Ботном доме – расположение здания на границе между участками с различными значениями несущей способности грунта. В результате, фундамент дома как бы работает на срез. На ССП-разрезе четко видно, что граница, по которой проходит резкое изменение несущей способности грунта, совпадает с местонахождением трещины, разделившей здание на две части.
Рис. 1
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--