+ 7 (499) 170 69 53

+ 7 (499) 170 70 13

Новые подходы к новым задачам

Инженерно-геологические изыскания под ОДЦ «Охта»

Строительство общественно-делового центра (ОДЦ) «Охта» является, пожалуй, самым амбициозным проектом, осуществляемым в Санкт-Петербурге за последнее столетие. Перед проектировщиками встала, казалось бы, неразрешимая задача – строительство 400-метрового небоскреба в сложнейших инженерно-геологических условиях. Очевидно, что опыта возведения такого сооружения на нескальных грунтах никогда не было не только в Санкт-Петербурге, но и во всей отечественной практике строительства. Перед геологами была поставлена задача – исследовать грунты на всю глубину потенциально активной зоны – до 130 м.
Текст АЛЕКСАНДР ТРУФАНОВ, ОЛЕГ ШУЛЯТЬЕВ


Рис. 1. Вид сверху на район строительстваПлощадка строительства проектируемого ОДЦ расположена в черте Санкт-Петербурга вне исторической зоны, в месте впадения реки Охта в Неву (рис. 1).

Рис. 1. Вид сверху на район строительства
Инженерно-геологические изыскания для высотного строительства имеют свои особенности [1], это:
–  слабая  изученность  грунтов  на  глубинах  ниже 40 м;
– высокие уровни нагрузок при испытании грунтов;
– проведение полевых испытаний на больших глубинах;
– отсутствие достаточной нормативной базы. Действительно, архивные данные изысканий по
интересующим глубинам практически отсутствовали. Обращение к опыту строительства метро (рис. 2), в связи с разницей стоящих перед изыскателями задач, также ничем не помогло.

7Рис. 2. Осмотр забоя шахты метро в вендских отложениях
Археологические раскопки обнаруженных на площадке строительства остатков древней крепости Ниеншанц усугубили сложность проведения работ. Это существенно ограничило возможности изыскателей как по срокам проведения работ, так и по выбору места бурения скважин.
В связи с ответственностью объекта и сложностью стоящих перед изыскателями задач к работе был привлечен целый ряд организаций. Лабораторные испытания вели ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева и МГУ
им. М. В. Ломоносова, прессиометрические – Центр геодинамических исследований, а штамповые – компания «Пилон». Позднее к работам был привлечен НИИОСП им. Н. М. Герсеванова.
Геологическое строение площадки строительства с поверхности представлено слабыми водонасыщенными глинисто-песчаными грунтами четвертичных отложений различного генезиса (рис. 3).

8Рис. 3. Инженерно-геологический разрез
Ниже залегают ледниковые отложения, представленные моренными полутвердыми суглинками от туго до мягкопластичной консистенции. Под ними располагаются дислоцированные в верхней части вендские отложения (с нарушенной структурой), представленные полутвердыми и твердыми суглинками. Исследованию данных грунтов как потенциального основания для наиболее нагруженной центральной части ОДЦ «Охта» и будет уделено основное внимание в настоящей публикации.
Вендские глины относятся к верхнепротерозойским отложениям вендской системы котлинского горизонта (Vkt2). Они залегают от 40 м и далее на всю глубину исследуемой толщи. Возраст вендских  глин  достигает  500  000  000  лет,  что  делает их одними из самых древних отложений планеты. Фактически, это не глины, а суглинки, в основном твердой консистенции. Тонкослоистая структура близкой к горизонтальной направленности с включением  прослоек  сцементированного  песчаника
делает  эти  грунты  довольно  неоднородными  по своим физическим и механическим характеристикам. По данным Р. Э. Дашко и др.[2], данные отложения имеют близкую к вертикальной трещиноватость, образуя блочную структуру. По результатам анализа физических характеристик основного  этапа  инженерно-геологических  изысканий в толще вендских отложений были выделены зоны слабодислоцированных грунтов.
Учитывая  уникальность  строящегося  объекта и степень ответственности как проектировщика, так и изыскателя за конечный результат, было принято решение о проведении дополнительных инженерно-геологических  изысканиях,  в  процессе которых предполагалось решить следующие задачи:
– подтвердить существование вертикальной трещиноватости вендских отложений в пределах участка  строительства  на  исследуемых  глубинах и оценить ее влияние на несущую способность грунтов;
– подтвердить наличие ослабленных (слабодислоцированных) зон грунтов в вендских отложениях механическими характеристиками грунтов на основе полевых и лабораторных испытаний;
– оценить влияние пробоотбора на сохранность монолитов грунтов;
– определить дополнительные характеристики грунтов, необходимые при использовании современных методов расчета оснований;
– повысить представительность полевых методов по количеству и глубине исследований.
Разработка  программы  и  научно-техническое сопровож дение    дополнительных    инженерно- геологических изысканий была поручена НИИОСП. В  программу  этого  этапа  исследований  вошли: сейсмомикрорайонирование  грунтов  площадки строительства,  определение  их  дополнительных характеристик, проведение штамповых испытаний на  максимально  возможных  глубинах  и  прессиометрических испытаний до 130 м, моделирование процесса пробоотбора, лабораторные испытания с реконсолидацией по методу восстановления фазового состава (ВФС).
Сейсмомикрорайонирование было выполнено силами ВНИИГ на основе материалов геофизических исследований основной части изысканий. В результате проведенного анализа было подтверждено наличие в вендских отложениях слабодислоцированных зон, что необходимо учитывать при выборе глубины заложения фундамента. Наличие вертикальных трещин и блочного строения вендских отложений геофизическими методами зафиксировано не было. Однако макроблочная структура вендских отложений полностью не исключена. На исследуемых глубинах под действием высоких давлений трещины могут находиться только в сомкнутом состоянии, «прозрачном» для геофизических методов. В этих условиях вендские глины можно рассматривать как сплошную (не блочную!) среду.
Как известно, основным методом определения деформационных характеристик грунтов являются полевые штамповые испытания. Для грунтов, залегающих ниже уровня грунтовых вод, это разработанные в НИИОСП [3] испытания винтовым штампом. Перед компанией «Пилон» была поставлена задача по разработке конструкции винтового штампа для проведения испытаний на глубину до
40 м, что в 2 раза превышало обычные глубины таких испытаний. На этой глубине, по предварительным данным, должна была находиться кровля вендских отложений. В связи с большой глубиной испытаний измерение нагрузки производилось на глубине непосредственно над лопастью винтового штампа, чтобы исключить влияние сил трения по боковой поверхности снаряда на результаты. Измерение перемещений штампа производилось прогибомером при помощи струн, закрепленных непосредственно на винтовом штампе. Данная конструкция была успешно применена для грунтов, залегающих выше кровли вендских отложений. Однако было очевидно, что внедрить винтовой штамп в твердые вендские глины без нарушения его формы не удастся. В связи с этим дополнительно была разработана конструкция плоского штампа с выдвижными ножами. К сожалению, дойти до кровли вендских глин и провести запланированные испытания в вендских отложениях данным штампом не удалось. Тем не менее, плоский штамп
был успешно опробован в моренных отложениях. При этом была достигнута запланированная глубина испытаний в 40 м, что является рекордом и, по-видимому, разумным пределом глубины штамповых испытаний.
Основным полевым методом определения деформационных    харак теристик    грунтов    для больших глубин являются прессиометрические испытания. Проведение данных испытаний было поручено Центру геодинамических исследований. НИИОСПом была предложена методика трехэтапных испытаний, включающая: нагружение до бытового давления с разгрузкой, нагружение до строительной нагрузки с разгрузкой и нагружение до максимально возможной нагрузки (рис. 4).

2Рис. 4. График прессиометрических испытаний
В диапазоне глубин 25 – 70 м использовался нестандартный, но хорошо зарекомендовавший себя прессиометрический комплекс ПК-3М конструкции НИИ «Гидропроект» с выдвижным сектором. На глубинах 70 – 130,5 м был применен радиальный прессиометр (дилатометр) IF096-3 германо-голландской фирмы Boart Longyear Interfels GmbH. Параллельные испытания грунтов этими прессиометрами показали хорошую сходимость результатов.
Потенциально предел возможности прессиометрического метода по глубине испытаний ограничивается только длиной коммуникаций.
Вместе  с  тем,  недостатком  метода  является  не вертикальное, а горизонтальное приложение нагрузки. В связи с выраженной слоистостью грунты вендских отложений являются анизотропными, т. е. их свойства в горизонтальном и вертикальном направлениях могут существенно отличаться. В связи с этим результаты прессиометрических испытаний потребовали специальной корректировки. Одной из задач лабораторных исследований было определение переходного коэффициента от горизонтального модуля деформации к вертикальному (коэффициента анизотропии).

Извлечение керна из колонковой трубыРис. 5. Извлечение керна из колонковой трубы
В соответствии с программой дополнительных инженерно-геологических изысканий для получения максимально возможной представительности результатов требовалось произвести сплошной отбор монолитов со 100% выходом керна на всю глубину исследуемой толщи.
Опытный пробоотбор вендских отложений двойной колонковой трубой дал лишь 30 – 40% выход керна, что не отвечало поставленным задачам. Поэтому выбор был сделан в пользу пробоотбора одноколонковой  трубой,  обеспечивающей  90  –
100% выход керна (рис. 5).
Вместе с тем, возможные механические повреждения при одноколонковом бурении, непосредственный контакт монолита с буровой жидкостью, изменение его напряженного состояния в процессе подъема на поверхность с большой глубины вызывали опасения за качество отбираемых монолитов. В связи с этим были проведены исследования по моделированию процесса пробоотбора в приборах трехосного сжатия. Подробно об этом докладывалось на Международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов» [4]. В результате моделирования было установлено, что механические нарушения, связанные с процессом пробоотбора, существенного влияния на состояние монолитов вендских отложений не оказывали.  При  поперечном  разрезе  монолитов с четко выраженной субгоризонтальной слоистостью никаких изменений в краевых зонах не обнаружено (рис. 6).

Поперечный разрез монолита вендской глиныРис. 6. Поперечный разрез монолита вендской глины
Наличие прямого контакта поверхности монолитов вендских отложений с окружающим глинистым раствором во время их извлечения на поверхность также оказалось несущественным. Тем не менее, изыскателям было рекомендовано производить обрезку верхнего, наиболее увлажненного пятимиллиметрового слоя монолита, сразу же после извлечения его на поверхность.
Наибольшее влияние на состояние монолитов по результатам  моделирования  оказало  изменение их напряженно-деформированного состояния в процессе отделения от массива грунта и подъема на поверхность. Как показало моделирование, при подъеме монолита происходило снижение порового давления (рис. 7). Этот процесс продолжался длительное время и после извлечения монолита на поверхность, при этом поровое давление падало ниже атмосферного (рис. 8). В результате падения порового давления и возникающего при этом разряжения из поровой воды выделялся пар и растворенный в ней газ, грунт из двухфазного состояния (скелет грунта и поровая жидкость) переходил в трехфазное (скелет грунта, поровая жидкость и газ). На практике это было подтверждено тем, что практически все монолиты вендских глин, залегающие ниже уровня грунтовых вод, перед испытаниями имели степень влажности меньше единицы, т. е. находились в трехфазном состоянии.

График изменения порового давления в образце при моделировании подъема монолита на поверхностьРис. 7.
График изменения
порового давления
в образце при
моделировании подъема
монолита на поверхность

График изменения порового давления в образце после извлечения монолита на поверхностьРис. 8.
График изменения
порового давления в
образце после извлечения
монолита на поверхность

 

Очевидно, что чем больше глубина пробоотбора, тем больший перепад давлений испытывает образец, и тем больше его нарушение в результате паро-газовыделения. Особенно это становится актуальным для исследования глубокозалегающих грунтов при высотном строительстве.
В настоящее время в арсенале изыскателей отсутствуют средства пробоотбора, исключающие изменение напряженного состояния монолита в процессе извлечения образцов на поверхность. Вместе с тем, возможность учесть это явление при подготовке образцов для лабораторных испытаний существует.
В НИИОСП им. Н. М. Герсеванова для глубоко залегающих грунтов континентального шельфа еще в 1986 году был разработан метод восстановления фазового состава – ВФС [5]. Он предназначен для реконсолидации образцов грунта перед проведением трехосных испытаний. Метод вошел в нормативные документы по инженерно- геологическим изысканиям на шельфе [6], а также в ряд зарубежных стандартов для испытаний грунтов суши [7,8]. В настоящее время метод включен в проект нового ГОСТа на проведение лабораторных испытаний. Суть метода проста – она заключается в создании условий, при которых выделившийся в результате пробоотбора газ вновь растворяется в поровой жидкости. Достигается это путем всестороннего обжатия образца в приборе трехосного сжатия без возможности оттока поровой жидкости. Критерием восстановления фазового состава является выравнивание приращений полного всестороннего давления в камере прибора и порового давления (рис. 9).

Зависимость порового давления от давления в камере при всестороннем обжатииРис. 9. Зависимость порового давления от давления в камере при всестороннем обжатии

Данный метод и был предложен для реконсолидации образцов при проведении лабораторных испытаний грунтов основания ОДЦ «Охта».
Лабораторные определения стандартных прочностных и деформационных характеристик грунтов с реконсолидацией образцов по методу ВФС производились в приборах трехосного сжатия на лабораторной базе ВНИИГ.
Для прогноза возможных осадок высотного сооружения параллельно в грунтовых лабораториях МГУ и ВНИИГ были проведены испытания по определению коэффициента вторичной консолидации (Сv). Испытания проводились в приборах трехосного  сжатия  в  условиях  напряженного  состояния  образцов,  близкого  к  природному.  В  целом,
результаты независимо проведенных испытаний показали хорошую сходимость.
В рамках лабораторных испытаний для корректировки результатов прессиометрических испытаний, как указывалось выше, требовалось определить коэффициент анизотропии (Ка) – отношение модулей деформации в горизонтальном и вертикальном направлениях. Для этого была проведена серия параллельных компрессионных испытаний грунтов  в  двух  направлениях.  В  среднем  значение коэффициента анизотропии для вендских глин оказалось в 2 раза выше, чем в горизонтальном (Ка
= 2), что объясняется выраженной слоистой структурой этих отложений.
Кроме определения стандартных характеристик современные методы расчета, использующие более совершенные модели грунта, требуют учета параметров, которые не отражены в отечественных нормативных документах или определяются достаточно редко. При использовании современного программного пакета PLAXIS для расчета грунтового основания необходимо было определить  значения  давления  предуплотнения
–  σи,  (максимальная  нагрузка,  которую  испытывал грунт за весь исторический период своего существования)  и  коэффициент  переуплотнения
– OCR (отношение вертикального давления предуплотнения к существующему). Для определения данных параметров во ВНИИГе были проведены специальные компрессионные испытания при мак-
симальных нагрузках до 10 МПа. Обработка результатов производилось двумя различными методами
– Казагранде и Беккера, показавших, в целом, хорошую сходимость. Для интересующей нас основной толщи вендских отложений среднее значение OCR составило 3,5, что говорит о ее сильном переуплотнении. По-видимому, это связано с историческими нагрузками, которые испытывали вендские отложения  от  мощного  ледникового  покрова  (более
1000 м) во времена ледникового периода.
В целом по дополнительным инженерно- геологическим изысканиям были получены следующие результаты:
– подтверждено наличие ослабленных (слабодислоцированных) зон внутри толщи вендских отложений;
– геофизические методы исследования не подтвердили факт существования вертикальных трещин и блочного строения вендских отложений;
– существенно откорректированы (в сторону повышения) расчетные значения деформационных характеристик грунтов вендских отложений;
– совместный анализ результатов основного и дополнительного этапов изысканий позволил установить зависимости изменения модуля деформации (Е) и сопротивления недренированному сдвигу (Сu) с глубиной;
– получены новые характеристики грунтов, необходимые для расчета основания с использованием современных программных продуктов, среди них – коэффициент вторичной консолидации (Cv), коэффициент анизотропии (Ка), коэффициент переуплотнения (OCR) и др.;
– усовершенствовано оборудование для штамповых испытаний грунтов на больших глубинах;
– отработаны методики полевых и лабораторных испытаний для грунтов оснований высотных сооружений.
Опыт инженерно-геологических изысканий глубоко залегающих грунтов оснований высотных сооружений был учтен при разработке проекта нового ГОСТа по лабораторным испытаниям грунтов.
Решение уникальных задач потребовало использование нестандартных методов испытаний грунтов. В связи с этим специалисты НИИОСП в рамках научно-технического сопровождения разработали целый  пакет  нормативных  документов,  включая
«Технические указания» на проведение работ практически по всем видам дополнительных исследований, и «Специальные технические условия» по нестандартным методам изысканий, необходимые для представления результатов в Госэкспертизу.
Опыт инженерно-геологических изысканий на ОДЦ «Охта» убедительно доказал необходимость привлечения научных организаций для сопровождения проектно-изыскательских работ при строительстве   уникальных   объектов.   Причем это необходимо делать на самых ранних этапах строительства, что позволит с одной стороны значительно сократить сроки и повысить качество проектно-изыскательских работ, с другой – снизить финансовые затраты за счет выбора наиболее рационального проекта фундамента.
В практическом и научном плане сделано немало, но полученный опыт можно расценивать как один из первых шагов в отечественной практике высотного строительства на нескальных грунтах и основу для будущих исследований.

1. Игнатова О. И., Труфанов А. Н. Особенности инженерно-геологических
изысканий для высотных зданий. Российская архитектурно- строительная энциклопедия, т. XIII – Строительство высотных зданий и сооружений. 2010 г., С. 281-288.
2. Дашко Р. Э., Жукова А. М., Панкратова К. В. Трещиноватые глины
– специфические отложения в теории и практике геотехнических исследований. – Труды международной конференции по геотехнике
«Геотехнические проблемы мегаполисов». М., 7 – 10 июня 2010 г., т. 5. С.
1867 – 1874.
3. «Рекомендации по определению деформационных характеристик нескальных грунтов в полевых условиях с применением винтового штампа». НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, Москва, 1985.
4. Труфанов А. Н., Беллендир Е. Н. 2010. Моделирование процесса пробоотбора для глубоко залегающих грунтов суши. – Труды международной конференции по геотехнике «Геотехнические проблемы мегаполисов». М., 7 – 10 июня 2010 г., т. 5. С. 1905-1910.
5. Труфанов А. Н., Мариупольский Л. Г., Пчелина И. В. «Способ трехосных испытаний грунтов, преимущественно донных», А. с. № 1231134, Б. и.
№18, 1986.
6. СТП 1423686-011-89. Методика трехосных испытаний образцов грунтов шельфа. Рига, 1990.
7. BS 1377-8: 1990 Methods of test for civil engineering purposes. British
Standarts Institution, 1990.
8. ISO/TS 17892-9: 2004(E). Consolidated triaxial compression tests on water- saturated soil, 2004.