Инженерная защита территорий, пораженных лессовым псевдокарстом

УДК 624.131

А.А. Лаврусевич, В.П. Хоменко

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА ТЕРРИТОРИЙ, ПОРАЖЕННЫХ ЛЕССОВЫМ ПСЕВДОКАРСТОМ

Приведено систематизированное описание мероприятий по защите территорий, зданий и сооружений от лессового псевдокарста, который представляет собой опасный для строительства геологический феномен, чаще всего имеющий техногенное происхождение. Изложены основные принципы рационального выбора защитных мер в зависимости от конкретной инженерно-геологической обстановки. Отмечена целесообразность использования для решения рассматриваемой задачи некоторых противокарстовых мероприятий.

Ключевые слова: псевдокарст, лессовые породы, защитные мероприятия.

Лессовый псевдокарст характерен для районов распространения лессовых пород, особенно в местах активного техногенеза. В связи с расширяющимся строительным и сельскохозяйственным освоением территорий, покрытых лессовыми породами, возрастает негативное влияние лессового псевдокарста на сферу жизнедеятельности человека. Феномен лессового псевдокарста в последние десятилетия стал не только сопоставим с такими грозными явлениями, как просадочность, оврагообразование, сейсмичность, но и местами значительно превосходит их по масштабам негативного воздействия на окружающую среду, строящиеся и эксплуатируемые сооружения.

Лессовый псевдокарст представляет собой результат гидродинамического, гравитационного, физико-химического и биологического разрушения недоуплотнен-ных лессовых пород при их эпизодическом (как правило, техногенном) обводнении с образованием форм рельефа, очень напоминающих типичные карстовые (провалы, воронки, пещеры, колодцы, овраги, цирки и т.д.). Главной особенностью лессового псевдокарста является высокая скорость его формирования. Отмечены случаи, когда всего за несколько суток в результате утечек из водонесущих коммуникаций лессовым псевдокарстом была поражена территория, площадь которой измерялась тысячами квадратных метров [1, 2].

К сожалению, до настоящего момента отсутствуют нормативные документы по проектированию и строительству на территориях, пораженных лессовым псевдокарстом, но они разработаны для закарстованных территорий [3]. Несмотря на то, что формирование лессового псевдокарста протекает намного активнее и быстрее, чем формирование карстового рельефа, оба этих опасных феномена имеют общие черты. По этой причине подавляющее большинство противокарстовых мероприятий вполне приемлемо и для защиты территорий, пораженных лессовым псевдокарстом, и в первую очередь это касается конструктивной защиты. Следует заметить, что защита от связанных с псевдокарстом плавных оседаний грунта принципиально не отличается от конструктивных решений, разработанных для подрабатываемых территорий [4]. Если же существует угроза появления псевдокарстовых воронок, колодцев и провалов, при проектировании зданий и сооружений необходимо обеспечить возможность безаварийного восприятия основными элементами их конструкций дополнительных изгибающих моментов и поперечных сил.

Наиболее целесообразно применение в районах формирования лессового псевдокарста монолитных железобетонных фундаментов (рис. 1). Их основная задача — обеспечить необходимую прочность и жесткость конструкции при образовании под

© Лаврусевич А.А., Хоменко В.П., 2012

213

ВЕСТНИК

10/2012

ними псевдокарстового провала. В краевых частях для уменьшения силового воздействия рекомендуется устройство консольных выпусков фундаментов за пределы контура сооружения. Длины консольных участков должны быть соизмеримы с размерами ожидаемых псевдокарстовых форм. Рекомендуется также усиление наземных конструкций зданий и сооружений, например так, как это показано на рис. 2.

а б в

Рис. 1. Основные типы монолитных железобетонных фундаментов, защищающих здания от провалов: а — ленты; б — перекрестные ленты; в — плита; 1 — контуры здания; 2 — консольные выпуски фундамента; 3 — сквозные отверстия, предназначенные для оперативной ликвидации провала

Для строительства зданий и сооружений на потенциально опасных участках распространения лессового псевдокарста также целесообразно применение свайных фундаментов (рис. 3). Число, глубина заложения и поперечные сечения свай должны назначаться в каждом отдельном случае, исходя из конкретной инженерно-геологической обстановки. При этом следует принимать во внимание такие факторы, как мощность толщи лессовых пород, способных к псевдокарстованию, глубина уровня подземных вод, пораженность массива ходами землероющих животных и т.д. Сваи-стойки следует опирать на устойчивые породы, не подверженные формированию в них лессового псевдокарста (рис. 3, а), а в случае применения висячих свай необходимо предусмотреть возможность свободного выпадения некоторого их количества из ростверка при обрушении кровли псевдокарстовой полости (рис. 3, б). Выпадающие в полость сваи с одной стороны предохранят ростверк от возможного разрушения в связи с появлением в нем дополнительных усилий, а с другой будут ограничивать оплывание стенок псевдокарстовой полости.

Своевременное обнаружение ранних признаков процесса формирования полости под фундаментом требует оборудования подфундаментного пространства датчиками, сигнализирующими об образовании зон разуплотнения. При выявлении таких зон или уже сформировавшихся псевдокарстовых полостей следует осуществить оперативные мероприятия по восстановлению сплошности массива или закреплению грунтов. Для этого рекомендуется тампонаж полостей (рис. 4, а) или нагнетание инъекционных растворов, скрепляющих частицы лессовых пород (рис. 4, б).

При проектировании, строительстве и эксплуатации сооружений, возводимых на лессовых массивах, нередко допускаются серьезные ошибки. Основными их причинами являются:

1) недостаточное знание специалистами: а) характерных особенностей лессов, мгновенно реагирующих на малейшее изменение окружающей среды; б) важнейших закономерностей и, самое главное, скорости формирования псевдокарста и его влияния на устойчивость оснований проектируемых, строящихся и эксплуатируемых сооружений;

Рис. 2. Схема комплексной конструктивной защиты двухэтажного кирпичного жилого дома от провалов [5]: 1 — контуры здания; 2 — ленточный фундамент; 3 — монолитная армированная стойка; 4 — рамный пояс на уровне межэтажного перекрытия

а б

Рис. 3. Варианты устройства свайных фундаментов для защиты здания от лессового псевдокарста с использованием свай-стоек (а) и висячих свай (б): конструктивные элементы здания: 1 — надфундаментная конструкция; 2 — монолитный железобетонный ростверк; 3 — железобетонная бурона-бивная свая-стойка; 4 — железобетонная забивная висячая свая квадратного сечения, свободно выпадающая из ростверка; элементы геологической среды: А — лессовые породы, подверженные псевдокарстованию; Б — породы с высокой несущей способностью; В — псевдокарстовая полость; Г — обрушившаяся порода

а б

Рис. 4. Мероприятия, препятствующие появлению и росту псевдокарстовых полостей в лессовых породах: а — тампонаж полостей; б — закрепление лессовых пород; инженерное оборудование и защитные элементы: 1 — тампонажная скважина; 2 — искусственный заполнитель полости (тампонажная смесь); 3 — инъектор; 4 — массив закрепленного лессового грунта; элементы геологической среды: А — лессовые породы, подверженные псевдокарстованию; Б — контур верхней части полости; В — естественный заполнитель полости

2) недостаточное внимание, уделяемое возможным вариантам защиты от опасных проявлений лессового псевдокарста при составлении технического задания на проведение инженерных изысканий;

3) недоучет изыскателями наиболее характерных параметров сооружений в рамках единой природно-технической геосистемы, функционирующей в условиях формирования лессового псевдокарста;

4) отсутствие скоординированных действий проектировщиков и изыскателей в ходе проведения проектных и изыскательских работ на территориях пораженных лессовым псевдокарстом;

5) отсутствие методик определения скорости формирования, мест проявления, площади поражения и других параметров лессового псевдокарста, необходимых для рационального выбора и проектирования защитных мероприятий, реализуемых в ходе строительства и эксплуатации сооружений.

Полностью исключить опасность псевдокарста при наличии лессовых пород и достаточно высоких скоростей фильтрации практически невозможно. Даже при углах наклона поверхности лессовых массивов, не превышающих 5°, отмечены случаи эрозионных размывов и начала проникновения воды вглубь по вертикальным

ВЕСТНИК

10/2012

ходам фитогенного и биогенного происхождения, как это, например, имело место на хлопковых полях совхоза «Субтропики» в Куйбышевском районе Таджикистана.

В 1987 г. в Яванской долине наблюдалось активное формирование псевдокарста на стыке лессового откоса и бетонной поверхности дорожного кювета. Дорога проложена по тальвегу пологосклонной балки, сложенной макропористыми, однородными лессовидными суглинками. В результате фильтрации атмосферных осадков по контакту грунта с бетонной поверхностью дорожного лотка происходил вынос грунтовых частиц, что привело к концу апреля к появлению под дорожным кюветом по -лости объемом около 1,7 м3 (рис. 5, а). Не выдержав напряжения, лотки провалились в полость (рис. 5, б), что вызвало дополнительное поступление в нее атмосферных вод со всего участка. К середине лета дорожное полотно было признано аварийным, и потребовалась реконструкция участка автодороги протяженностью более 28 м. В процессе ремонтных мероприятий были обнаружены еще две полости, объемом 1,3 и 1,5 м3, что потребовало дополнительных расходов на производство тампонажных работ. Профилактика или своевременное принятие экстренных защитных мер могли бы предотвратить данную аварийную ситуацию.

а б

Рис. 5. Результаты формирования псевдокарстовой полости под дорожным кюветом в Таджикистане, наблюдавшиеся в апреле (а) и в мае (б) 1987 г.

Руководствуясь подходом, принятым при систематизации противокарстовых [5] и противосуффозионных [6] мероприятий, все мероприятия по защите от лессового псевдокарста можно разделить на активные, оказывающие прямое воздействие на формирование псевдокарста, и пассивные, т.е. не оказывающие такого воздействия. Мероприятия, направленные на защиту от лессового псевдокарста, можно также разделить на профилактические и оперативные. Профилактические защитные мероприятия осуществляются до начала формирования псевдокарста как в ходе строительства, так и в период эксплуатации сооружения, а оперативные — в условиях взаимодействия сооружения и псевдокарста. Оба эти принципа проиллюстрированы схемой, приведенной на рис. 6.

Рассмотрим кратко мероприятия, рекомендуемые для защиты территорий, зданий и сооружений от лессового псевдокарста.

1. Архитектурно-планировочные решения позволяют предусмотреть еще до начала строительства рациональное с точки зрения возможности формирования псевдокарста размещение объектов на местности, их формы в плане, плотности застройки и др. Основной принцип этой защиты — вывод объекта из опасной зоны, в которой в процессе строительства и эксплуатации сооружения ожидается формирование псевдокарста. Для этого, имея инженерно-геологическую карту осваиваемой территории, следует оценить и дать прогноз возможности появления псевдокарстовых форм на определенных участках. Наиболее опасными с этой точки зрения будут являться участки, расположенные в прибровочной части крупных региональных террас (придолинный тип лессового псевдокарста).

Рис. 6. Классификация мероприятий по защите от лессового псевдокарста

2. Конструктивные мероприятия заключаются в использовании особых видов фундаментов и конструктивных особенностей сооружений, которые обеспечивают возможность их незначительного деформирования при появлении в их основаниях псевдокарстовых форм. Для этой цели можно предусмотреть монолитные железобетонные фундаменты, фундаменты глубокого заложения, фундаменты из свай-стоек, висячих свай и др., о чем подробно было сказано выше.

3. Контролирующие мероприятия включают в себя мониторинг состояния элементов геологической среды и строительных конструкций. В случае предрасположенности массива лессовых пород к псевдокарсту необходимо оперативно получать информацию о начале, а еще лучше о подготовке его формирования. В связи с тем, что псевдокарстовое разрушение лессовых пород может протекать чрезвычайно быстро, необходимо использование сигнальных устройств электронного типа. Под фундаментом и на прилегающей территории необходимо на глубине от 3 до 30 м разместить датчики, измеряющие напряжения в лессовых породах, и датчики порового давления, которые оперативно проинформируют о подготовке и начале формирования псевдокарста (повышении влажности лессовых пород и последующем изменении напряженно-деформированного состояния массива). Кроме того, необходимо расположить поверхностные и глубинные геодезические марки, контроль за которыми также даст информацию об изменении уровня поверхности массива лессовых пород, вследствие формирования псевдокарста. Применимы также аварийные сигнальные системы, которые реагируют на смещение грунта относительно фундамента сооружения.

4. Предупреждающие мероприятия представляют собой инженерные решения, направленные на предотвращение возникновения лессового псевдокарста и связанных с ним геологических процессов. В эту группу как важнейший элемент входят и мероприятия гидромелиоративного характера. К перечню предупреждающих мероприятий относятся: а) изъятие лессовых пород, неустойчивых к псевдокарсту; б) тщательная гидроизоляция искусственных водотоков и водоемов, подземных водонесущих коммуникаций, предотвращение нецивилизованного сброса воды с поверхности лессового массива; в) регулирование и организация поверхностного стока, как природного, так и техногенного происхождения, предусматривающие его полный перехват системой

канав, рвов, арыков, ливнеотводов и др., которые полностью исключают поступление и неконтролируемое движение воды как по лессовому массиву, так и внутри него. При наличии псевдокарстовых проявлений (провалов, воронок, полостей и др.) необходимы также их своевременное тампонирование или засыпка местным увлажненным грунтом с уплотнением до 1,6 г/см3, сопровождающиеся контролем надежности этих процедур. При сбросе воды с большим перепадом высот следует устраивать многолотковые консольные перепады, гасители и многоструйные консоли, а при вовлечении в эксплуатацию лессовых территорий и массивов категорически предотвращать малейшее проявление линейной эрозии. В самом начале формирования линейных потоков поверхностных вод необходимо в срочном порядке организовывать их сбор в лотки и кюветы, а сброс до ближайшего базиса эрозии производить, используя ступенчатые перепады высотой не более 1 м, где каждая ступень должна иметь флютбет и боковые стенки [7]. В ходе полива сельскохозяйственных культур на лессовых массивах следует максимально использовать капельное распыление влаги, располагая поливные борозды поперек, а не вдоль склонов, причем сам полив производить без сброса и строго дозированными объемами. При этом необходимо исключить излишнюю подачу воды на орошаемые поля.

5. Отличительной особенностью управляющих мероприятий является их оперативный характер, направленный на снижение разрушительной силы подземного потока в лессах при его возникновении. При строгом учете водопотребления, особенно промышленными предприятиями, возможно принятие срочных оперативных мер. В случае внезапного увеличении расхода воды свыше 20 % необходимо срочно, в течение 1-2 ч принять меры к поиску мест утечек и путей миграции воды. Если места утечек воды невозможно обнаружить в течение 3 ч, следует прекратить подачу воды, вплоть до остановки предприятия.

6. Для проведения мероприятий, препятствующих формированию лессового псевдокарста, необходимо решить три основные задачи: а) предохранить лессовые породы от воздействия воды; б) ликвидировать возможность выноса разрушенных лессовых пород к базису эрозии; в) превратить лессовые породы в среду, устойчивую к псев-докарстованию. Первая задача решается изоляцией лессового массива от воздействия поверхностных и техногенных вод с помощью канав, кюветов, арыков и др. Вторая задача решается тампонированием полостей, трещин, поноров, колодцев и других поверхностных форм псевдокарстового рельефа, являющихся своего рода водоприемными образованиями. Решение третьей задачи достигается путем применения различных методов и способов технической мелиорации грунтов. К таким способам относится, например, создание на поверхности лессового массива слоя искусственно уплотненных грунтов мощностью не менее 0,7 м, который будет служить своеобразным экраном, препятствующим возникновению и развитию псевдокарстовых ходов, или уже упомянутый выше способ закрепления грунтов с помощью инъекций.

Библиографический список

1. Запорожченко Э.В. Суффозионные деформации в лессовых породах Предкавказья // Вопросы строительства гидротехнических сооружений на просадочных грунтах. Баку, 1969. С. 108—115.

2. Лаврусевич А.А. Некоторые особенности инженерно-геологических изысканий на территориях, пораженных лессовым псевдокарстом // Инженерные изыскания. 2010. № 10. С. 20—23.

3. СНиП 22-02—2003. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения. М.: ФГУП ПНИИИС, 2004. 40 с.

4. СНиП 2.01.09—91. Здания и сооружения на подрабатываемых территориях и просадочных грунтах. М. : ГУП ЦПП, 1999. 34 с.

5. Толмачев В.В., Троицкий Г.М., Хоменко В.П. Инженерно-строительное освоение закар-стованных территорий. М. : Стройиздат, 1986. 117 с.

6. ХоменкоВ.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. М. : ГЕОС, 2003. 216 с.

7. Вызго М.С. Консольные перепады // Тр. Среднеазиат. НИИ ирригации. 1932. Вып. 5. С. 16—38.

Поступила в редакцию в июле 2012 г.

Об авторах: Лаврусевич Андрей Александрович — кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, lavrusevich@yandex.ru;

Хоменко Виктор Петрович — доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры инженерной геологии и геоэкологии, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, khomenko_geol@mail.ru.

Для цитирования: Лаврусевич А.А., Хоменко В.П. Инженерная защита территорий, пораженных лессовым псевдокарстом // Вестник МГСУ. 2012. № 10. С. 213—220.

A.A. Lavrusevich, V.P. Khomenko

ENGINEERING PROTECTION OF TERRITORIES AFFECTED BY LOESSIAL PSEUDOKARST

Loessial pseudokarst is the result of hydrodynamic, gravitational, physicochemical, and biogenic failure of loess or loess-like soils due to their watering. This dangerous geological phenomenon is mainly caused by anthropogenic reasons, and it manifests itself as cavities, swallow holes, collapse sinks, gullies, etc. Their sudden formation is no less serious problem for a civil engineer than a well-known collapse of loessial and loess-like soils; therefore, there is a need to mitigate the consequences of the above phenomena to protect buildings, structures, roads, railways, and agricultural lands from the consequences of the loessial pseudokarst. Many protective actions are identical to those aimed at protection from karst, and they can be attributed to the passive or active type. The first one does not influence the formation of the loess pseudokarst, but the second does.

Passive actions include planning and designing of subsidence-resistant structures, as well as monitoring of their condition. Dewatering of loess or loess-like soil, control over irrigation, organization of the surface water runoff, erection of waterproof screens and hydraulic curtains, filling of pseudokarst cavities and holes, and improving loess or loess-like soil by injecting the grout represent active mitigation actions. Some of them can only be implemented before the construction is initiated, others can be implemented as operative actions in the course of or in the aftermath of the construction, but most of them can have a double nature. Key words: pseudokarst, loess, mitigation actions.

References

1. Zaporozhchenko E.V. Suffozionnye deformatsii v lessovykh porodakh Predkavkaz'ya [Suffosion Failure of Loessial Soils in Ciscaucasia]. Voprosy stroitel'stva gidrotekhnicheskikh sooruzheniy na pro-sadochnykh gruntakh [Issues of Hydraulic Engineering on Collapsing Soils]. Baku, 1969, pp. 108—115.

2. Lavrusevich A.A. Nekotorye osobennosti inzhenerno-geologicheskikh izyskaniy na territoriyakh, porazhennykh lessovym psevdokarstom [Some Peculiarities of Geological Engineering Surveys in the Areas Affected by Loessial Pseudokarst] Inzhenernye izyskaniya [Engineering Surveys]. 2010, no. 10, pp. 20—23.

3. SNiP 22-02—2003. Inzhenernaya zashchita territoriy, zdaniy i sooruzheniy ot opasnykh geo-logicheskikh protsessov. Osnovnye polozheniya. [Engineering Rules and Regulations of the Russian Federation 22-02—2003. Engineering Protection of Territories, Buildings and Structures from Dangerous Geological Processes. Basic Provisions]. Moscow, FGUP PNIIIS Publ., 2004, 40 p.

4. SNiP 2.01.09—91. Zdaniya i sooruzheniya na podrabatyvaemykh territoriyakh i prosadochnykh gruntakh. [Engineering Rules and Regulations 2.01.09—91. Buildings and Structures in Mining Areas and on Collapsing Soils]. Moscow, GUP TsPP Publ., 1999, 34 p.

5. Tolmachev V.V., Troitskiy G.M., Khomenko V.P. Inzhenerno-stroitel'noe osvoenie zakarstovan-nykh territoriy [Civil Engineering Assimilation of Karsted Areas]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986, 117 p.

6. Khomenko V.P. Zakonomernosti i prognoz suffozionnykh protsessov [Regularities and Forecast of Suffosion Processes]. Moscow, GEOS Publ., 2003, 216 p.

7. Vyzgo M.S. Konsol'nye perepady [Cantilever-type Drops]. Trudy Sredneaziatskogo nauchno-issledovatel'skogo instituta irrigatsii [Proceedings of Central Asian Research Institute of Irrigation]. 1932, no. 5, pp. 16—38.

About the authors: Lavrusevich Andrey Aleksandrovich — Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Associate Professor, Department of Engineering Geology and Eco-geology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; lavrusevich@yandex.ru;

Khomenko Viktor Petrovich — Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, Department of Engineering Geology and Eco-geology, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; khomenko_geol@mail.ru.

For citation: Lavrusevich A.A., Khomenko V.P. Inzhenernaya zashchita territoriy, porazhennykh less-ovym psevdokarstom [Engineering Protection of Territories Affected by Loessial Pseudokarst]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 213—220.