Изучение покрывающей толщи, как один из важнейших компонентов инженерных изысканий в районах покрытого карста

_МГСУ

ИЗУЧЕНИЕ ПОКРЫВАЮЩЕЙ ТОЛЩИ, КАК один из ВАЖНЕЙШИХ КОМПОНЕНТОВ ИНЖЕНЕРНЫХ ИЗЫСКАНИЙ В РАЙОНАХ ПОКРЫТОГО КАРСТА

THE RESEARCH OF AN OVERBURDEN AS ONE OF IMPORTANT PARTS OF SITE INVESTIGATIONS IN COVERED KARST AREAS

B.C. Крашенинников, В.П. Хоменко

V.S. Krasheninnikov, V.P. Khomenko

ГОУ ВПОМГСУ

В статье рассмотрена возможность оценки опасности карстового провалооб-разования на основе анализа особенностей структуры и состава толщи дисперсных пород, перекрывающих растворимые породы в районах покрытого карста.

The article considers the possibility of sinkhole hazard assessment based on special analysis of structure features of overburden's soils in covered karst areas.

Согласно B.H. Дублянскому и Г.Н. Дублянской [1], к районам покрытого карста относятся территории, где растворимые породы покрыты осадочными несцементированными отложениями различного генезиса мощностью более 2 м, обычно именуемыми термином «покрывающая толща», и эти территории занимают в Российской Федерации 17,6% ее площади. В Европейской части России, а в какой-то степени и в Восточной Сибири, районы покрытого карста в большинстве случаев имеют относительно высокую плотность населения и испытывают интенсивное строительное освоение. Достаточно сказать, что именно в этих районах расположены такие крупные города как Москва, Нижний Новгород, Казань, Уфа, Самара и такие ответственные хозяйственные объекты как Камская ГЭС, Калининская АЭС, Горьковская железная дорога.

Помимо чисто хозяйственного аспекта, инженерно-геологические изыскания и исследования, выполняемые в районах покрытого карста, приобретают значимость ещё и в связи с тем, что процессы его образования, развития и протекания имеют глубинный характер, и скрыты от непосредственного наблюдения. Поверхностные проявления покрытого карста, такие как провалы, оседания, воронки и т.д., так же важны для изучения, особенно на первоначальных этапах обследования местности, так как они являются четким индикатором наличия глубинных процессов карстообразования на данной территории. Между тем, для инженерного карстоведения важен вероятностно-прогностический подход к проблеме даже в тех случаях, когда покрытый карст еще не проявил себя на земной поверхности. Изучение дисперсных пород покрывающей толщи, её структуры, свойств и особенностей, при должном подходе, может дать необходимую информацию о процессах, происходящих на глубине. Пренебрежение этой информацией, равно как её недостаточность или отсутствие, может привести к невер-

ным оценкам и, в конечном счете, к негативным последствиям вплоть до катастрофических разрушений зданий и сооружений.

Необходимость изучения покрывающей толщи в ходе инженерных изысканий, осуществляемых в районах покрытого карста, в наши дни представляется очевидной: об этом в частности говорится в пункте 6.16 СНиП 11-02-96 [3] и более подробно в пункте 5.1.7 части II СП 11-106-97 [4]. Вместе с тем, такого рода указания, присутствующие в разных нормативных и методических документах, требуют дополнительных пояснений.

Прежде всего, следует заметить, что представляющиеся на первый взгляд очень эффективными, геофизические методы исследования покрывающей толщи в районах покрытого карста имеют серьезные ограничения с точки зрения возможности решения поставленной задачи. Во-первых, они основаны на принципах изучения прохождения и отражения волн (сейсмических, электромагнитных и др.) и данные, полученные с их помощью, являются косвенными, а не прямыми. Во-вторых, в связи с тем, что результаты геофизических исследований имеют интегральный характер, генезис выявленных с их помощью аномалий устанавливается с трудом. Это не в последнюю очередь относится и к подземным карстопроявлениям [10]. Вообще при интерпретации геофизических данных большую роль играет так называемый «человеческий фактор», то есть качество окончательного материала целиком зависит от специалиста, выполняющего его обработку.

Если же говорить о методах и технических средствах изучения покрывающей толщи в районах покрытого карста, которые позволяют получать о ней прямую информацию (бурение скважин, статическое и динамическое зондирование, определение свойств грунтов по отобранным из них образцам), то их использование отнюдь не исключает параллельное применение для этой цели геофизических методов. В принципе, последовательность действий в обоих случаях аналогична: 1) в ходе инженерно-геологических изысканий осуществляются соответствующие работы в полевых и лабораторных условиях; 2) полученная при этом информация целенаправленно анализируется на основе определенных концептуальных моделей; 3) делаются выводы о присутствии в покрывающей толще проявлений карстового процесса, характерных для конкретных стадий его развития; 4) дается оценка его опасности, как правило, имеющая прогностический характер.

Исходя из опыта, накопленного авторами предлагаемой статьи, можно прийти к выводу, что в настоящее время существуют три наиболее перспективных подхода к изучению покрывающей толщи в районах покрытого карста, которые соответственно решают три разные задачи, связанные с оценкой карстовой опасности. Эти подходы используют прямую информацию о структуре покрывающей толщи и свойствах слагающих ее дисперсных пород. Рассмотрим каждый из них в отдельности на конкретных примерах.

Поиск погребенных карстовых провалов. При оценке карстовой опасности по критерию наличия на площадке изысканий карстовых провалов не имеет значения, присутствуют они на земной поверхности, ликвидированы путем засыпки или погребены под более молодыми осадками, являясь элементами палеорельефа [2]. Чем ближе существующее или проектируемое здание к погребенному карстовому провалу, тем опасней ситуация.

Обычно выявление и идентификация погребенных карстовых провалов по данным бурения осуществляется достаточно просто с помощью морфоструктурного анализа при наличии в покрывающей толще как минимум двух субгоризонтальных кон-

_МГСУ

тактных маркирующих поверхностей, одна из которых представляет собой подошву покрывающей толщи. Сложности здесь возникают при оконтуривании выявленных депрессий, и легче всего они преодолеваются при использовании комплекса различных методов, входящих в состав инженерно-геологических изысканий, включая геофизические методы.

Характерным примером в этом отношении может служить анализ результатов инженерно-геологических изысканий, выполненных в 2009 г. в окрестностях Уфы для строительства пятиэтажного жилого дома (рис. 1), в состав которых входили буровые работы, статическое зондирование, наземные и скважинные геофизические исследования. Было высказано предположение о присутствии в восточной части площадки крупного погребенного карстового провала, который образовался во время мезозойского континентального перерыва, был заполнен кайнозойскими осадками и «оживился» в конце Плиоцена, причем это явление может повториться и в настоящее время. Для подтверждения последнего вывода дополнительно использовался специальный прогностический метод [11].

Рис. 1. Погребенный карстовый провал, обнаруженный в результате изучения структуры покрывающей толщи 1 - проектируемое здание; 2 - глубокая скважина, вскрывшая карстовую полость, и ее номер; 3 - глубокая скважина, не вскрывшая карстовую полость, и ее номер; 4 - точка статического зондирования и ее номер; 5 - точка вертикального электрического зондирования и ее номер; 6 - зона, внутри которой, согласно прогнозу, будет находиться центр провала в случае его образования; 7 - предполагаемый контур погребенного докайнозойского карстового провала; 8 - предполагаемый контур дочетвертичнго «оживления» погребенного докайнозойского карстового провала

Поиск ослабленных зон в породах покрывающей толщи. В пункте 5.2.8 части II СП 11-106-97 [4] содержится требование о выявлении и оконтуривании в толще покрывающих пород ослабленных и разуплотненных зон, однако это следует делать в ходе инженерно-геологических изысканий, выполняемых в любых условиях, а не только в районах покрытого карста. О «карстовой» специфике этих операций ничего не говорится. Тем не менее, она существует и заключается в том, что формирование подземной карстовой полости (как впрочем, и полости другого генезиса) приводит к разрядке нормальных напряжений в вышележащих грунтах. Это происходит не только по контуру полости, но и у земной поверхности, что легко обнаруживается с помощью статического или динамического зондирования по соответствующему падению сопротивления грунта проникновению в него конуса зонда [8].

Таким образом, специальный анализ результатов этих видов полевых исследований грунтов приобретает большую значимость при изучении покрывающей толщи в районах покрытого карста. В принципе, он позволяет определять местоположение карстовых полостей в тех случаях, когда они не вскрыты скважинами. При этом речь идет не только о первичных полостях растворения, возникающих в карстующихся породах, но и о генетически связанных с карстовым процессом вторичных суффозионных полостях или полостях обрушения, формирующихся в покрывающей тоще.

Эффективность рассматриваемого подхода к изучению покрывающей толщи можно проиллюстрировать следующим примером (рис. 2). В 1992 г. на площадке одного из промышленных предприятий г. Дзержинска Нижегородской области осуществлялось статическое зондирование в аллювиальных четвертичных песчаных грунтах, входящих в состав дисперсных пород, перекрывающих закарстованные пермские карбонатные и сульфатные породы. В ходе анализа пространственного распределения удельного сопротивления грунта под конусом зонда была выявлена ослабленная зона, характер которой свидетельствовал о возможности присутствия в песчаных грунтах, слагающих зону аэрации, полости обрушения. В результате бурения скважины внутри этой зоны искомая полость была обнаружена в виде провала бурового инструмента в интервале глубин 8,8-10,0 м.

Поиск разуплотненных зон в породах покрывающей толщи. Возвращаясь к пункту 5.2.8 части II СП 11-106-97 [4], где говорится не только об ослабленных, но и о разуплотненных зонах, следует пояснить, что это может означать применительно к дисперсным породам. Если такое разуплотнение не имеет чисто техногенный характер, то оно в первую очередь может быть связано с развитием суффозионных процессов [7]. Если речь идет о химической суффозии, то нет никакого смысла увязывать разуплотнение засоленных дисперсных пород с карстовым процессом - эта ситуация рассматривается отдельно в пункте 6.12 СНиП 11-02-96 [3]. Если же в данном случае подразумевается такая разновидность механической суффозии, как свободный вынос мелких частиц из пор несвязных пород (частичное фильтрационное разрушение), то это явление действительно может наблюдаться в покрывающей толще в начальной стадии развития весьма опасной парагенетической совокупности, именуемой карсто-во-суффозионными процессами.

Специальные экспериментальные исследования показали [6], что присутствие в несвязных породах с бутовой текстурой, слагающих покрывающую толщу и контактирующих с трещинами и полостями с нижележащими растворимыми породами, неко-

торых «промытых» разуплотненных зон может служить признаком начала формирования карстово-суффозионного провала. Эти зоны сложены так называемыми несуф-фозионными несвязными породами. Их можно выявить с помощью специальной обработки данных о гранулометрическом составе грунтов в соответствии с критериями, предложенными В.И. Кондратьевым [5].

Рис. 2. Ослабленная зона и полость обрушения, обнаруженные в покрывающей толще в результате анализа данных статического зондирования

1 - изолиния величины удельного сопротивления грунта под конусом зонда, МПа; 2 -точка статического зондирования, выполненного в 1992 г., и ее номер на плане

На рисунке 3 показан типичный результат такой обработки применительно к несвязным грунтам, слагающим покрывающую толщу на площадке в настоящее время уже построенного гостинично-делового центра в Москве. Инженерно-геологические изыскания и исследования, выполнявшиеся здесь в 2003-2005 гг. показали, что здание расположено на территории, потенциально опасной в отношении проявления карсто-во-суффозионных процессов [9]. Наличие здесь разуплотненных зон, сложенных «не-суффозионными» несвязными породами, и участков контакта несвязных четвертичных покрывающих пород с нижележащими разрушенными и трещиноватыми верхнекаменноугольными карбонатными породами, подтверждает этот вывод.

Рис. 3. Оценка «суффозионности» песчаных пород в пробе, отобранной со дна строительного котлована, результаты которой свидетельствуют о наличии в покрывающей толще разуплотненной зоны, предположительно вызванной развитием карстово-суффозионных процессов

Литература

1. Дублянский В.Н., Дублянская Г.Н. Карстоведение. Часть 2. Региональное карстоведе-ние. Пермь, Перм. гос. ун-т, 2008

2. Саваренскнй И.А., Миронов H.A. Руководство по инженерно-геологическим изысканиям в районах развития карста. М., ПНИИИС Минстроя России, 1995

3. СНиП 11-02-96. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. М., Минстрой России, 1997

4. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов. М., Госстрой России, 2000

5. Кондратьев В.Н. Фильтрация и механическая суффозия в несвязных грунтах. Симферополь, Крымиздат, 195

6. Хоменко В.П. Суффозионные свойства водонасыщенных песков вблизи зоны карстово-суффозионных провалов // Инженерные изыскания в строительстве. Реферативный сборник. Серия II. 1976. Вып. 11(52), с. 15-22

7. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. М., ГЕОС, 2003

_МГСУ

8. Хоменко В.П., Коломенский Е.Н. Влияние подземных полостей на состояние вышележащих дисперсных пород // Промышленное и гражданское строительство. 2000. № 8, с. 39-41

9. Хоситашвили Г.Р., Хоменко В.П., Земской Г.В., Воробьев Е.А. Опыт инженерно-геологических исследований оснований ответственных сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2005. № 6, с. 18-21

10. Червинская О.П., Авезова К.Р., Хоменко В.П. Карстологическая интерпретация результатов электроразведки на площадке проектируемого промышленного предприятия // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 11, с. 16-17

11. Khomenko V.P. Forecast of a collapse location: new approach // Quarterly journal of engineering geology and hydrogeology. 2008. Vol. 41. Part 3, p. 393-401

Literature

1. Dublyanskii V.N., Dublyanskaya G.N. Karstovedenie. Chast' 2. Regional'noe karstovedenie. Perm', Perm. gos. un-t, 2008

2. Savarenskii I.A., Mironov N.A. Rukovodstvo po injenerno-geologicheskim izyskani-yam v raionah razvitiya karsta. M., PNIIIS Minstroya Rossii, 1995

3. SNiP 11-02-96. Injenernye izyskaniya dlya stroitel'stva. Osnovnye polojeniya. M., Minstroi Rossii, 1997

4. SP 11-105-97. Injenerno-geologicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. Chast' II. Pra-vila proizvodstva rabot v raionah razvitiya opasnyh geologicheskih i injenerno-geologicheskih processov. M., Gosstroi Rossii, 2000

5. Kondrat'ev V.N. Fil'traciya i mehanicheskaya suffoziya v nesvyaznyh gruntah. Simfe-ropol', Krymizdat, 195

6. Homenko V.P. Suffozionnye svoistva vodonasyschennyh peskov vblizi zony karstovo-suffozionnyh provalov // Injenernye izyskaniya v stroitel'stve. Referativnyi sbornik. Seriya II. 1976. Vyp. 11(52), s. 15-22

7. Homenko V.P. Zakonomernosti i prognoz suffozionnyh processov. M., GEOS, 2003

8. Homenko V.P., Kolomenskii E.N. Vliyanie podzemnyh polostei na sostoyanie vyshele-jaschih dispersnyh porod // Promyshlennoe i grajdanskoe stroitel'stvo. 2000. № 8, s. 39-41

9. Hositashvili G.R., Homenko V.P., Zemskoi G.V., Vorob'ev E.A. Opyt injenerno-geologicheskih issledovanii osnovanii otvetstvennyh soorujenii // Promyshlennoe i graj-danskoe stroi-tel'stvo. 2005. № 6, s. 18-21

10. Chervinskaya O.P., Avezova K.R., Homenko V.P. Karstologicheskaya interpretaciya rezul'-tatov elektrorazvedki na ploschadke proektiruemogo promyshlennogo predpriyatiya // Promysh-lennoe i grajdanskoe stroitel'stvo. 2009. № 11, s. 16-17

11. Khomenko V.P. Forecast of a collapse location: new approach // Quarterly journal of engineering geology and hydrogeology. 2008. Vol. 41. Part 3, p. 393-401

Ключевые слова: инженерные изыскания, покрытый карст, растворимые породы, покрывающая толща, дисперсные породы, суффозия, карстовый провал, опасность

Key words: site investigations, covered karst, soluble rocks, overburden, soils, suffosion, sinkhole, hazard

Крашенинников Вадим Сергеевич тел.: +7(906)7319656;

e-mail: vadimus77@rambler.ru Хоменко Виктор Петрович тел.: +7(905)7414240; e-mail: khomenko geol@mail.ru

Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»