Лессовые просадочные грунты Западной Сибири занимают до 20% территории. На них расположены такие крупные промышленные центры как Барнаул, Новосибирск, Бийск, Омск, Кемерово и др. Сложность эксплуатации лессовых грунтов в качестве оснований зданий и сооружений вызывает необходимость их комплексного изучения для создания рациональных и новых конструкций фундаментов и безопасной эксплуатации уже построенных зданий.

Опыт эксплуатации зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах показывает, что свойства данных грунтов и, особенно, их поведение под нагрузкой и замачиванием изучены недостаточно. Только в г. Барнауле за последние годы около двадцати зданий оказались в деформированном состоянии. Основными факторами, вызывающими аварийное состояние зданий и сооружений являются подтопление городских территорий, неравномерная просадка основания, ошибки при проведении инженерно-геологических изысканий, несоблюдение технических условий на производство строительно-монтажных работ и т. д.

Все это свидетельствует о том, что проблема обеспечения устойчивости, надежности зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах решена не полностью. Имеются значительные недостатки существующих расчетных моделей по проектированию сооружений на грунтах данного типа, не учитывающих специфику инженерно - гео-логического строения лессовых пород, их структурно-текстурные особенности, динамику их изменения под влиянием внешнего давления и замачивания.

Все это предопределило основные направления исследований научно - педа-гогической школы по данной проблеме, которая была основана в 1972 г. в Алтайском политехническом институте и возглавляется д.г.-м.н., профессором, членом-корреспондентом Российской Академии архитектуры и строительных наук Г.И. Швецовым, структура работы которой приведена ниже.

В настоящее время основными направлениями исследований научной школы “Лессовые просадочные грунты Западной Сибири, их инженерно-геологические, геоэкологические свойства и их изменение под влиянием техногенных воздействий” являются:

1. Исследование лессовых грунтов как оснований зданий и сооружений.
2. Изучение опасных геологических процессов и явлений на территории Приобского плато и города Барнаула.
3. Усиление и реконструкция оснований и фундаментов зданий и сооружений.

Темы исследований:

1. Разработка вариантов моделей лессовых оснований из уплотненных и водонасыщенных грунтов с учетом их микроструктурных, анизотропных свойств и напряженно-деформированного состояния при передаче внешней нагрузки (д.г.-м.н., проф. Швецов Г.И.; докторант Коробова О.А.; аспирант Булкина Е.В.).

2. Разработка варианта модели, учитывающей анизотропные особенности лессового просадочного грунта (к.т.н., доцент, докторант Коробова О.А.).

3. Изучение микроструктуры лессовых грунтов, особенности ее изменения под влиянием различных механических воздействий (статических, динамических) (к.г.-м.н., доцент Вяткина Е.И.).

4. Исследования изменения физико-механических свойств лессового водонасыщенного грунта (д.г.-м.н., проф. Швецов Г.И.; аспирант Алюшин А.Б.).

5. Исследования набухающих свойств лессовых грунтов на основе изучения их микроструктуры и минералогии (к.г.-м.н., доцент Вяткина Е.И., аспирант Бычкова Н.В.).

6. Исследования изменения физико-механических свойств лессовых грунтов и их напряженно-деформированного состояния при длительной эксплуатации зданий и сооружений (к.т.н., доцент, Носков И.В.; аспирант Корнеев И.А.).

7. Устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений, их усиления и реконструкция на лессовых просадочных грунтах. Внедрение новой технологии уплотнения лессовых грунтов тяжелой трамбовкой (д.г.-

м.н., проф. Швецов Г.И.; к.т.н., доцент Носков И.В.; к.т.н., доцент Черепанов Б.М.).

8. Исследование техногенных воздействий на геоэкологическую среду (к.т.н., доцент Азаров Б.Ф.; к.г.-м.н., доцент Горбунова Т.А.).

Круг перечисленных научных проблем, решаемых в рамках научной школы, обусловлен тем, что строительная практика требует не только точной комплексной оценки инженерно-геологических свойств лессовых просадочных грунтов, но и прогнозирования динамики их изменения под влиянием техногенного воздействия человека, и как следствие, дальнейшего развития таких опасных процессов как оврагообразование, подтопление, оползни, оплывы и т. д.

Анализируя инженерно-геологические условия лессовых пород Западной Сибири можно выделить следующие региональные особенности:

1. Мощность лессовых просадочных грунтов изменяется в пределах от 3-4 м до 10-12 м, т.е. она незначительная. Наибольшей мощности эти породы достигают на территории Приобского и Обь-Чумышского плато, Обь-Чумышской аллювиальной равнины. Для Кулундинской низменности и Ненинской равнины мощность просадочных лессовых пород не превышает 3-4 м, в предгорных районах – 5-6 м. Наиболее распространенными грунтами лессовых пород Верхнего Приобья являются суглинки и, реже, супеси.
2. По просадочности исследуемые лессовые породы относятся к I типу и лишь в отдельных случаях локально встречаются лессовые породы II типа. Это имеет место в юго-восточной части озерно-аллювиальной Обь-Чумышской равнины, Приобского плато на территории гг. Барнаула и Новосибирска.
3. Гранулометрический состав лессовых пород юга Западной Сибири характеризуется неоднородностью по вертикали и по площади, наличием линз и прослоек песка.
4. В пределах Верхнего Приобья широко распространены слои погребенных почв мощностью до 2 м, которые можно рассматривать как специфический горизонт грунтов, обладающих сравнительно надежными строительными свойствами.

В последние годы возникли новые проблемы по эксплуатации построенных зданий на лессовых просадочных грунтах. Наиболее значительная из них – подтопление городских территорий. Для зданий и сооружений на лессовых просадочных грунтах это имеет особое значение. Процесс подтопления вызывает резкое снижение прочностных и деформационных характеристик, при этом возникает дополнительная просадка, разрушение канализационных колодцев, деформации дорожных покрытий и т. д. К сожалению, аварийные состояния зданий и сооружений на лессовых грунтах возникают не только за счет подтопления территорий. Существующие методы устройства оснований и фундаментов страдают определенными недостатками. Уплотнение грунтов тяжелыми трамбовками является сезонным видом работ. Выполненное осенне-зимнее уплотнение лессовых пород зачастую отличается невысоким качеством и приводит к появлению недопустимых деформаций, из-за отсутствия резерва в городской черте, часто оказывается невозможным и диктует необходимость принятия других решений.

С 1991 г. в рамках первого направления проводятся исследования по разработке методики создания уплотненного лессового основания. Уплотненное основание создается механическим трамбованием с использованием трамбовок различной массы.

Для экспериментальных исследований было выбрано несколько опытных площадок размером 9? 9 м и 12? 12 м, ровных, со спокойным рельефом в квартале 2001 г. Барнаула.

Лессовые породы, выбранные нами для исследования, являются покровными отложениями Верхнего Приобья, куда и входит территория г. Барнаула. Эти породы залегают на грубину до 8-12 м. Для них характерна слабоустойчивая к замачиванию микроструктура, в водонасыщенном состо-янии деформируемость этих пород возрастает в 2-5 раз, а у подстилающих пород – в 2-3 раза.

В геологическом отношении выбранные площадки, расположенные в непосред-ственной близости друг от друга, сложены лессовыми суглинками твердыми I типа по просадочности с толщей 6-8 м, с наиболее характерными свойствами грунтов юга Западной Сибири, глубже по разрезу – крупнозернистые и средней крупности пески. Грунтовые воды в пределах выработок (скв. до 20 м) не обнаружены.

На уплотненном таким образом грунте были проведены испытания со штампом-фундаментом размером 1000? 1000? 500 (h). Штамп-фундамент был выполнен железобетонным с соответствующим армированием, как и обычный жесткий фундамент. Нагрузка на штамп создавалась металлическими блоками общей массой 47 т.

Анализ результатов показал, что уплотнение грунтов обычной трамбовкой весом 3,2 т необходимого эффекта не дает, грунт уплотняется на глубину не более 0,5 м. Для получения большего эффекта уплотнение грунта производилось тяжелой трамбовкой массой 180 кН.

Тяжелая трамбовка конусообразной формы, заканчивающаяся металлической квадратной плитой 1000? 1000 мм, сбрасывалась с 7-8 м, двигаясь по металлическому направляющему монорельсу.

Уплотнение грунта производилось в 5 проходок. В зависимости от влажности, степени уплотненности требуемого основания варьировалось количество сбрасываний трамбовки от 5 до 25 ударов по одному следу. В результате этого после каждой проходки поверхность котлована понижалась на 25-45 см. Перед каждой следующей проходкой производилось снятие разрыхленного грунта бульдозером.

В результате трамбования площадки тяжелой трамбовкой отметка дна котлована понизилась на 1,4-1,5 м. Мощность трамбуемого слоя составила 5-5,5 м, считая от установившейся поверхности дна котлована.

Особое внимание в полевых экспериментах было уделено определению напряжений в грунтовом основании, которое осуществлялось с помощью датчиков давления (мессдоз) конструкции Д.С. Баранова.

Напряжения непосредственно под подошвой штампа замерялись контактными мессдозами.

В результате экспериментальных исследований были построены графики осадок и эпюры нормальных напряжений, возникающих в грунтовом основании.

Полученные результаты дали возможность оценить характер формирования напряженного состояния основания опытных штампов. Так, было проанализировано изменение осевых вертикальных напряжений в массиве грунта при увеличении нагрузки на штамп. Вертикальные осевые напряжения под штампом убывают с глубиной. Наиболее значительные затухания происходят в верхнем, более уплотненном, слое – до глубины 1м вертикальные осевые напряжения уменьшаются на 40-60%. Причем основное падение напряжений происходит до глубины 1,5-2м.

График осадки штампа-фундамента на уплотненном основании представляет собой практически прямую линию, что свидетельствует о том, что в результате уплотнения лессовогогрунта получено линейно - дефор-мированное основание.

После проведения опытного уплотнения лессового основания тяжелой трамбовкой весом 100 кН были отобраны образцы грунта для проведения лабораторных исследований.

В результате уплотнения значительно повысились такие характеристики грунта как плотность сухого грунта и модуль общей деформации. По сравнению с начальной (1,44 г/см³) плотность сухого грунта возросла на 35% (до 1,95 г/см³) на глубине 0,5-1,0 м, на 10% (1,6 г/см³) на глубине 5 м. На самой поверхности (до 0,5 м) плотность несколько ниже, чем на глубине 1,0 м, из-за произошедшего в результате трамбования расслоения грунта верхнего слоя. Но все равно по сравнению с начальной плотностью достигнуто значительное ее повышение (1,85-1,90 г/см³ против 1,44 г/см³).

В верхних слоях уплотненного основания значение модуля общей деформации увеличивается в 2,5-3 раза при естественной влажности, равной 7-8%. На нижней границе уплотненной зоны (5,5 м) модуль общей деформации возрастает в 1,5-2 раза, чем тот же показатель грунта в естественном состоянии до уплотнения.

При водонасыщении модуль общей деформации уплотненного грунта меняется незначительно – в верхних слоях на 1%, а в нижнем слое – в 1,5 раза, тогда как модуль деформации неуплотненного грунта уменьшается в 3-5 раз.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что уплот-нение грунтов тяжелыми трамбовками позволяет создать прочное, устойчивое к водона-сыщению, грунтовое основание. Это дает возможность предложить замену свайных фундаментов на фундаменты мелкого заложения на уплотненном лессовом основании. Экономическое сравнение вариантов в рамках одного сооружения на уровне расхода материалов несомненно в пользу варианта фундаментов мелкого заложения.

В настоящее время (с 1991 г.) проводятся исследования изменения микроструктуры лессовых пород (на примере лессовых грунтов Приобского плато) под влиянием различных механических воздействий.

В ходе проведения экспериментов оценивались в лабораторных условиях микроструктурные изменения грунта под влиянием компрессионного уплотнения и сопротивления сдвигу при естественной влажности и в состоянии полного водонасыщения грунта. Кроме того, выполнялись микроструктурные исследования лессового грунта, уплотненного обычными и тяжелыми трамбовками, а так же под воздействием штампа-фундамента.

Подготовка образцов грунта для электронно-микроскопических исследований выполняется на приборе ВУП-5 методом вакуумной морозной сушки. Просмотр образцов и получение РЭМ-изображений микроструктуры выполняется на растровом электронном микроскопе при увеличениях от 350 до 5000 раз.

Проведенные микроструктурные исследования грунта под влиянием компрессионного уплотнения позволяют констатировать, что микроструктура под влиянием компрессионного сжатия претерпевает большие изменения. Общая пористость снизилась с 48% до 40%. Исчезли крупные межзерновые и межмикроагрегатные поры, их размер уменьшился по сравнению с исходным образцом с 35 до 20 мкм. Преобладают по количеству тонкие внутримикроагрегатные микропоры изометричной и щелеобразной формы в среднем шириной до 0,2 мкм. Это подтверждается увеличением общего периметра пор в уплотненном образце на 20%, что говорит об увеличении числа мелких внутримикроагрегатных пор. Значительно уменьшились размеры всех категорий пор и появилась тонкая микропористость. Преимущественно угловатая форма минеральных зерен свидетельствует об интенсивном дроблении твердых компонентов структуры и общем уплотнении грунта. Это объясняется возникновением больших напряжений при сжатии на контактах между минеральными зернами, приводящих к механическому дроблению и раскалыванию твердых структурных элементов. Тип структуры грунта после компрессии не изменился и остался скелетным.

Главный вывод выполненных работ – деформируемость грунта в процессе передачи компрессионной нагрузки обуславливается как сближением структурных элементов между собой, так и их разрушением.

Изменение микроструктуры грунта под воздействием динамического уплотнения проводилось на образцах лессового грунта, отобранных с экспериментальной площадки г. Барнаула после уплотнения тяжелой трамбовкой весом 100 кН. Грунт экспериментальной площадки имеет физико-механические характеристики, характерные для лессовых суглинков юга Западной Сибири с I типом просадочности.

Микроструктура грунта, уплотненного тяжелой трамбовкой повышенного веса, резко меняется. До глубины 3 м микроструктура грунта приобретает признаки скелетно-матричной структуры, характеризующейся более высокой плотностью по сравнению с природной скелетной структурой. Исчезает крупная пористость, а преобладающие мелкие внутриагрегатные поры приобретают щелевидную форму с шириной раскрытия 0,5 –мкм. Наблюдается ориентация структурных элементов в плоскости, перпендикулярной направлению действия ударной нагрузки.

Обнаружилось совершенно новое явление – дробление глобул, агрегатов и их расплющивание. Увеличивается количество мелких элементов, как результат разрушения первичного материала. С увеличением глубины (более 3 м) микроструктура грунта вновь приобретает признаки природной скелетной со значительным уменьшением плотности. По сравнению с природной структурой видно, что глубже 3 м каких-либо значительных ее изменений не происходит.

Основные выводы микроструктурных исследований грунта под воздействием уплотнения трамбовками повышенного веса (100 кН):

1. Уплотнение лессового грунта тяжелыми трамбовками приводит к коренному изменению его микроструктуры. Под влиянием динамического уплотнения идет интенсивное разрушение глобул и агрегатов, их расплющивание, перемещение и сближение основных элементов лессового грунта – песчано-пылеватых частиц и глинистого материала. Формируется новая скелетно-матричная структура, отличающаяся от природной степенью уплотнения, минимальной и относи тельной однородной пористостью, более плотной упаковкой элементарных частиц. Изменения в микроструктуре с глубиной становятся менее заметны и внизу уплотненного слоя структура грунта имеет незначительные отличия от природной.
2. Микроструктурные исследования свидетельствуют о том, что при трамбовании тяжелыми трамбовками в лессовом грунте развиваются 2 процесса: разрушение сложившихся структурных связей и формирование новых. В результате происходит устранение просадочных свойств лессового оснвания и увеличение его прочностных и деформационных характеристик. Это позволяет рассматривать устройство фундаментов зданий и сооружений на лессовом уплотненном основании как вариант замены дорогостоящих, например свайных, фундаментов.

Учет деформационной анизотропии лессовых грунтов в расчетах основания является одним из важных вопросов, т. к. ее степень и характер в лессовых грунтах проявляется особенно отчетливо. Поставленную задачу можно сформулировать как задачу о совершенствовании методов расчета лессовых грунтовых оснований по предельным состояниям и прогнозировании осадок и просадок жестких фундаментов с учетом анизотропных свойств лессовых грунтов.

В рамках поставленной задачи были проведены экспериментальные исследования с целью подтверждения существования и выявления степени деформационной анизотропии лессовых грунтов. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили наличие деформационной анизотропии у лессовых грунтовых образцов. Экспериментально установлено, что показатель, оценивающий деформационную анизотропию исследованных грунтов, в среднем равнялся 1,97.

Были получены результаты расчетно-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния лессовых анизотропных оснований. Исследование проведено на ЭВМ методом конечных элементов с применением методики математического планирования эксперимента. Расчетами установлено, что в характерных зонах лессового основания с изменением показателя, оценивающего деформационную анизотропию, происходит существенное изменение горизонтальных и касательных напряжений, что отражается на степени приближения напряженного состояния этих зон к предельному по прочности, влияет на величину расчетного сопротивления грунта и, следовательно, на размеры подошвы фундамента. Разработан практический метод корректировки размеров подошвы фундаментов с учетом деформационной анизотропии лессовых грунтов. Предложен усовершенствованный метод (на базе известного метода послойного суммирования деформаций) определения осадок жестких фундаментов, позволяющих учесть деформационную анизотропию лессового грунта.

Как указывалось, существующие модели осадки грунта носят, в основном, эмпирический характер и, в связи с этим, не отражают в явной форме изменения структуры грунта при его нагружении.

Учет в математических моделях структурных изменений грунта позволяет резко повысить уровень их интерпретируемости и достоверности.

Нами разработан вариант имитационной модели, учитывающей структурно-текстурные особенности лессовых грунтов в условиях сплошного распространения нагрузки.

На первых стадиях нагрузки происходит интенсивное разрушение оболочки частиц, увеличивается количество раздробленных частиц. При этом сокращается объем пор, приходящихся на одну фракцию.

На второй стадии нагрузки дробление частиц замедляется, происходит форми-рование новой микроструктуры, характеризующейся “слипанием” частиц между собой, их агрегирование, что обуславливает дальнейшее уменьшение объема пор.

Экспериментальные данные по изме-нению микроструктуры совместно с использованием функции пористости (ком-прессионных кривых) позволили модели-ровать осадки грунта в рамках имитационной модели. На этой основе составлен алгоритм модели: осадка лессового грунта опре-деляется в предположении постоянства площади основания образца грунта. Рассчитанные по предложенной модели осадки удовлетворительно согласуются с экспери-ментальными данными.

Проведенные исследования позволили составить для лессовых грунтов Западной Сибири таблицу нормативных и расчетных деформационных и прочностных характе-ристик лессовых грунтов. Таблица применяется проектировщиками при проекти-ровании оснований зданий и сооружений.

II. Изучение опасных геологических процессов и явлений на территории Приобского плато и города Барнаула.

Второе научное направление обусловлено необходимостью исследований опасных природнотехногенных геологических процессов и явлений, активно развивающихся в последние годы и заметно влияющих как на условия нового строи-тельства, так и на эксплуатацию построенных зданий и сооружений.

В регионе доминируют два пара-генетических ряда опасных природно-техногенных геологических процессов и явлений:

1 -интенсивные и, порой, катастро-фические проявления боковой эрозии и оползневые явления в береговых уступах и прилегающих участках террасовых и водораздельных склонов. Здесь преобладают точечные и локальные линейные трансформации геологической среды с потерей устойчивости пород в зоне влияния эродируемых береговых уступов, образованием систем трещин оползневого отпора и смещением пород в контурах оползневых цирков;

2 –просадочные деформации и оползневые нарушения в лессовом покрове в результате подъема уровня подземных вод и подтопления просадочных пород, как оснований сооружений. В границах этого парагенетического ряда преимущественно развиты крупноплощадные региональные изменения. За счет высокой влагоемкости и низкой водоотдачи лессовых пород произошел подъем уровня грунтовых вод, подтопление грунтов, как оснований сооружений, потеря их устойчивости и в итоге просадочные и оползневые деформации.

Под влиянием развитой инфраструктуры города в условиях интенсивного техногенеза происходят значительные изменения геологической среды, в т.ч. и природных условий. Всякие изменения активизируют природные негативные геологические процессы и явления. Воздействия разнообразных и многочисленных факторов техногенеза вызывают активизацию геоло- гических процессов и явленийи форми-рование природно-техногенных ОГП. Последние часто наносят огромный ущерб городскому хозяйству. Сущность самих процессов и явлений раскрывается на примере территории г. Барнаула.

Одним из основных природных факторов, определяющих развитие ОГП в районе г. Барнаула является р. Обь. Исторически г. Барнаул сравнительно редко подвергался влиянию паводочных подъемов воды в р. Оби. По мере развития города в русле и на пойме реки появилось более 70 инженерных сооружений. Особенно интенсив-но строительство шло в 1960-1980-е гг.

В настоящее время существует проблема взаимодействия объектов города с речным потоком р. Оби, особенно в паводочной период.

Мощность просадочной толщи по территории не одинакова. В выделенных инженерногеологических подрайонах зна-чение ее варьирует от 5-7 м до 12 м и связана со стратиграфическим положением толщи лессовых пород, что и прослеживается при характеристике 200 метровой зоны уступов коренного берега р. Оби.

Другим геоморфологическим элементом территории г. Бранаула является эрозионно-аккумулятивная долина р. Барнаулки, сложенная мелко - и тонкозернистыми пес-ками трех прислоненных террас. Между Приобским плато и террасами склоны представлены песчано - суглинистыми грунтами.

Первая и вторая террасы имеют водоносный горизонт, дренируемый р. Барнаулкой. На третьей террасе и склонах грунтовые воды типа “верховодки” приурочены к линзам заглинизированных прослоев. Грунтовые воды встречаются на глубине 13-15 м и дренируются р. Барнаулкой и р. Обью.

Длительное стояние высоких уровней в р. Оби с апреля по июль является первопричиной подтопления центральной части города грунтовыми водами. Реки Барнаулка и Пивоварка, протекающие через центральную часть города, являются естественными дренами. В период стояния высоких уровней воды в р. Оби р. Барнаулка оказывается в подпоре. Как итог происходит резкий подъем уровня грунтовых вод на значительной части территории города.

Годовая амплитуда колебаний соcтавляет от 0,22 до 3,04 м. Максимальные амплитуды колебаний - на участках территории с гидрологическим речным режимом вблизи естественных дрен р. Оби и р. Барнаулки. Минимальные уровни устанавливаются в марте, максимальные – в мае-августе.

Наложение на неблагоприятные природные условия техногенных факторов изменяют водоносный баланс в сторону накопления грунтовых вод.

Промышленная зона в основном сконцентрирована рядом с 1-м и 2-м селитебными районами вдоль р. Барнаулки. Наибольшую территорию занимает завод агрегатов с прилегающими предприятиями. Его площадь 20 га, водопотребление 4200 м³/сут. Территория завода подтоплена. Кроме высокого уровня грунтовых вод имеется экологическое загрязнение атмосферы. В холодное время года в тихую безветренную погоду в долине р. Барнаулки наблюдается скопление смога как результат работы около 30 котельных, работающих на угле.

Оползневые деформации в зоне влияния береговых склонов и уступов в долине р. Оби приобретают угрожающий характер.

Левобережный склон р. Оби на всем протяжении городской черты (21,5 км) высокий (60-120 м) и крутой (30-90° ) Оползневая зона находится на стыке Приобского плато и долины р. Оби с ее притоком р. Барнаулкой.

Геологическое строение представлено четвертичными отложениями верхнечетвертичными отложениями верхнеплейстоценовыми краснодубровской и кочковской свит.

Базисом оползневых тел служат голубые плотные суглинки. К песчаным пластам краснодубровской свиты приурочено 1-2 маломощных (175 м) безнапорно- и слабонапорных водоносных горизонта. Разгрузка подземных вод этих горизонтов происходит круглогодично на склон и в подошву склона.

Практически весь левый берег р. Оби в городской черте изрезан оползневыми цирками и оврагами. Ежегодно в городской черте происходит 10-20 оползневых подвижек. За последние 20-25 лет зафиксировано более 230 оползней. Объемы оползших масс грунта составляют от 10 до 200 тыс. м³. Имеются заколы крупных еще не сошедших блоковых тел до 1,5 млн. м³ в объеме и до 800 м по фронту. Последние годы характеризуются ухудшением оползневой обстановки. Свидетельством тому – увеличение количества оползней в год (до 30). Генетически в пределах городской черты выделяются оползни эрозионные, суффозионные, антропогенные и полигенные.

Характерным примером развития ОГП и повышения уровня грунтовых вод в результате утечек из водонесущих коммуникаций крупных промышленных объектов может служить ТЭЦ-3 г. Барнаула. До начала строительства (1976 г.) подземные воды до глубины 30 м не встречались. В период строительства и эксплуатации (1976-1986 гг..) утечки из более чем 20 видов подземных водонесущих коммуникаций сформировали “верховодку” на глубинах от 0,8 до 20 м.

В целом за 1984-1992 гг. подъем У. Г. В. составил более 8 м.

Промплощадка ТЭЦ-3 служит примером кардинального изменения инженерно-геоэкологических условий при замачивании лессовых грунтов в результате подтопления. Замачивание грунтов привело к неравномерным осадкам фундаментов главного корпуса ТЭЦ-3. По данным геодезических наблюдений (1981-1995 гг.) годовые осадки колонн изменились от 9 до 65 мм.

Неравномерные просадки лессовых грунтов приводят в аварийное состояние многочисленные здания и сооружения г. Барнаула. Осадки зданий достигают нескольких десятков мм и носят, как правило, неравномерный характер.

Выводы:

1. Геоэкологическая обстановка в пределах территории города осложнена существованием двух геоморфологических элементов - Приобским плато, сложенным лессовыми грунтами и долиной р. Барнаулки, низким базисом эрозии р. Оби и наличием ОГП.
2. С учетом вышеизложенного необходима организация дальнейших целенаправленных инженерно-геоэкологических исследований интенсивного техногенеза с целью обоснования прогноза активизации ОГП на территории города Барнаула.

В последние годы в Алтайском крае обострилась проблема по эксплуатации и реконструкции зданий и сооружений, особенно построенных на лессовых просадочных грунтах. Это обусловлено проявлением опасных природно-техногенных геологических процессов и явлений (подтопление территорий, оползневые явления, просадочные деформации, вызванные подъемом уровня подзем

ных вод на застроенных территориях и т. д.), а также нарушением строительных норм и правил при эксплуатации зданий и сооружений (перепрофилирование, надстройка дополнительных этажей, пристройки к существующим зданиям и сооружениям, аварийное замачивание и т. д.).

Все это предопределило развитие одного из важных направлений работы, связанного с инженерно-техническим обследованием, принятием инженерных решений для предотвращения аварийных состояний зданий и сооружений региона.

Для этих целей на базе кафедры “Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия” АлтГТУ им. И.И.Ползунова под руководством Г.И. Швецова были созданы “Центр по диагностике оснований и фундаментов”, “Инженерно-экологический центр”.

За последние годы сотрудниками центров было выдано более 20 инженерно-технических заключений и инженерных решений по строительству, реконструкции и предотвращению аварийных состояний гражданских зданий и объектов промышленного строительства Алтайского края. В состав центров входят высококвалифицированные специалисты: к.т.н. Азаров Б.Ф. - геодезическое обеспечение; к.г.-м.н. Горбунова Т.А. - инженерно-геологическая часть; к.т.н. Носков И.В. - основания и фундаменты; к.т.н., профессор Иванов В.П. - надземные конструкции.

К работам привлекаются преподаватели, сотрудники, аспиранты кафедры “Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия” и студенты строительного факультета.

Ниже приведены наиболее интересные инженерные решения.

Правильность принятия инженерных решений при реконструкции фундаментов объектов промышленного строительства во многом определяется наличием достоверной информации об изменениях пространственного положения элементов этих объектов в процессе эксплуатации. Наиболее ценную количественную информацию об изменениях планового и высотного положения отдельных конструкций промышленных зданий и сооружений, а также общую деформационную картину состояния здания или сооружения в целом позволяют получить геодезические методы.

В г. Рубцовске выполнялись работы по реконструкции фундаментов нескольких цехов гормолзавода. В течение 2 лет периодически выполнялись работы по определению деформаций каркаса здания, в котором располагались несколько цехов завода. Работы включали в себя:

1. восстановление основных осей здания;
2. создание высотной основы;
3. выполнение исполнительных съемок несущих конструкций здания;
4. обмеры отдельных конструкций;
5. передачу отметок от рабочих реперов высотной основы на разные уровни здания.

В качестве основных осей восстанавливалась одна продольная и одна поперечная оси по периметру здания. Далее эти оси передавались внутрь здания на первый и второй этажи. Они использовались в качестве основы для определения планового положения колонн здания.

Высотной основой служили 2 рабочих репера, закрепленных на территории гормолзавода вблизи от реконструируемого здания. Между ними был проложен замкнутый ход по программе нивелирования 3-го класса. Отметки реперов задавались в условной системе.

Исполнительные съемки (высотная и плановая) выполнялись для трех разных уровней: подвала, первого и второго этажей. Плановая съемка велась методом бокового нивелирования - для верха и низа колонн. Высотная съемка велась методом горизонта инструмента - с двух горизонтов (для контроля определения отметок).

Обмеры выполнялись для определения размеров элементов конструкций и установления фактических межосевых расстояний. Передача отметок осуществлялась методом геометрического нивелирования.

По материалам полевых геодезических работ составлялись исполнительные схемы и чертежи высотной и плановой съемки этажей и подвала здания, а также общая деформационная схема пространственного положения каркаса здания. Результаты геодезических работ позволили сделать однозначные выводы о состоянии каркаса здания в целом: несмотря на существующие значительные деформации отдельных несущих конструкций, каркас здания, включая фундаменты, возможно реконструировать, хотя первоначально предполагалось старое здание снести.

В г. Барнауле для целей реконструкции фундаментов цеха подготовки шинного завода выполнялись работы по нивелированию подкрановых путей. Было выполнено 2 цикла наблюдений с интервалом в один год. Задачей геодезических измерений было определение высотного положения подкранового пути для их дальнейшей рихтовки. По верху двух рядов колонн был проложен замкнутый ход по программе нивелирования 4-го класса. Большое количество колонн (44), специфические условия выполнения работ (задымленность, вибрация, ограниченная видимость) обусловили особенности геодезического нивелирования. Наблюдатель располагался на площадке козлового крана (примерно на ее середине, чтобы обеспечить равенство плеч на станции), а реечники перемещались по рельсам подкранового пути на предельно возможную видимость (20-25 м). Наиболее удаленные точки нивелировались как связующие, отдельные - как промежуточные. Из-за большой высоты цеха и насыщенности его технологическим оборудованием передача отметок от существующих реперов высотной основы на подкрановый путь не выполнялась. В качестве исходных отметок оголовков рельсов подкрановых путей рельсов были взяты отметки, полученные из “нулевого” цикла наблюдений 1991 г., выполненного специалистами из г. Новосибирска. За условный ноль была взята отметка оголовков рельса на крайней, наименее подверженной деформации колонне. Результаты нивелирования подкрановых путей позволили установить существенные, до 50 мм в год, осадки рельсового пути, а следовательно фундаментов цеха.

На хлопчатобумажном комбинате г. Барнаула для принятия решения по реконструкции фундамента водонапорной башни были выполнены работы по определению ее крена. Определялись как частные, так и общие крены башни на разных отметках. Для определения крена башни использовался видоизмененный способ горизонтальных углов.

Кроме того, геодезические работы по определению кренов фундаментов отдельных зданий выполнялись на ТОО “Мельница” (г. Барнаул). Работы велись наиболее часто используемым методом вертикального проецирования. Особенностью работ являлось то обстоятельство, что из-за значительной высоты здания мельницы и ограниченности свободного пространства вокруг нее не было возможности расположить точки стояния прибора под углом, близким к прямому. Это потребовало учитывать угол, под которым располагались стоянки прибора к наблюдаемым на здании точкам, при расчете полного крена.

Выполняемые в течение нескольких лет геодезические работы по обеспечению реконструкции фундаментов промышленных зданий и сооружений позволили сделать выводы:

• Как правило, на промышленных предприятиях, функционирующих несколько десятков лет, геодезическая основа либо полностью, либо частично утрачена. Так, из всех вышеупомянутых объектов только на шинном заводе сохранилась сеть геодезических пунктов. На остальных объектах, в лучшем случае, имеются отдельные пункты, в худшем - геодезические пункты полностью утрачены. Это обстоятельство не позволяет установить величины абсолютных осадок, горизонтальных смещений и кренов фундаментов реконструируемых зданий и сооружений. К тому же приходится дополнительно выполнять работы по созданию временной геодезической основы.
• Специфика геодезических работ на реконструируемых объектах промышленных предприятий состоит в том, что для выбора метода работ, определения их последовательности и трудоемкости следует на этапе подготовки к реконструкции предприятия включать геодезическое обследование объекта.
• Геодезическое обеспечение реконструкции промышленных предприятий позволяет в конечном счете при относительно малых затратах на геодезические работы сэкономить значительные средства при выполнении работ по самой реконструкции.

При строительстве магазина по пр. Ленина (г. Барнаул, 1996 г.) в районе старого базара было изменено проектное решение по устройству нулевого цикла. Подрядчик предложил и начал сооружение фундамента под магазин не нарушая бетонной плиты ранее сделанной как дорожное основа ние для движения троллейбусов. В связи с этим необходимо было проверить прочность устроенных фундаментов.

В результате проведенных расчетов и обследования устроенных фундаментов было найдено инженерное решение, которое удовлетворяло требованиям эксплуатационной пригодности строящегося магазина:

• Предусмотреть по периметру наружных и внутренних капитальных стен конструктивные железобетонные пояса в уровне верха фундамента шириной не менее 0,8 толщины стен, высотой 0,12 м и над проемами этажа армированные пояса. Класс бетона не менее 15.
• Уклон при твердых покрытиях (отмостки, площадки, подъезды) должны быть не менее 3%.
• По периметру здания устроить керамзитовую подушку толщиной 1,1 м и шириной 2 м. Можно уменьшить размеры подушки за счет применения других материалов, обеспечивающих такие же теплопотери и снижающие фронт промерзания грунта также, как в предложенном варианте.
• Произвести обмазку поверхности фундамента с наружней стороны битумной мастикой от его подошвы до планировочной отметки в 2 слоя: первый - тонкий с тщательной притиркой, второй - толщиной 2-3 мм.
• Ширина водонепроницаемой бетонной отмостки по периметру здания должна быть не менее 2 м.

Выполненные рекомендации подтвердили правильность принятого решения при дальнейшей эксплуатации магазина.

В 1998 г. по заказу Алтайского Краевого Совета профсоюзов было выполнено обследование технического состояния фундаментов и несущих ограждающих конструкций здания вышеназванной организации по пр. Ленина, 23 (г. Барнаул).

Причиной образования и раскрытия сквозных трещин в наружных стенах здания явилась чрезмерная разность осадок основания под ленточными фундаментами, вызванная вымыванием песчаного грунта случайными (аварийными) сбросами ливневой канализации (дворовой) и существовавшей ранее котельной у восточного торца здания.

Для стабилизации деформаций основания и трещин в стенах требовалось исключить источники замачивания и вымывания грунта, особенно под наружной гранью подошвы фундамента, что вызывало не только продольные деформации стен, но также наклон этих стен из плоскости (на улицу).

Вновь построенная вставка между зданиями по пр. Ленина № 23 и № 21 явилась дополнительным ядром жесткости контрфорсного типа и препятствует дальнейшему развитию трещин в продольных стенах соответствующих зданий.

В 1999 г. был выполнен полный комплекс инженерно-технических работ по обследованию здания АО “Дом Моделей” в г. Барнауле на предмет возможности надстройки дополнительно мансардного этажа.

Приведенный краткий перечень работ свидетельствует о разнообразности решаемых задач сотрудниками центров и их высокой квалификации.

На все виды работ по инженерно-техническому обследованию строительных конструкций, оснований и фундаментов зданий и сооружений имеются лицензии.

В настоящее время совместно со строительными организациями г. Барнаула выполняются исследования по выработке инженерного решения, связанные с уменьшением вибрации грунтовых оснований, вызванных забивкой свай при возведении высотных зданий в районах старой застройки.

На базе кафедры “Основания, фундаменты, инженерная геология и геодезия” в 1995 году открыт совет по защите кандидатских диссертаций по специальности 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение. За время действия совета защищено две кандидатских диссертации сотрудниками кафедры – Вяткиной Е.И. и Черепановым Б.М.

С момента создания научной школы под руководством и непосредственным участием Г.И. Швецова проведены 4 научные конференции: в 1972 г. - региональная., в 1980 г. - республиканская, в 1990 г. - всесоюзная, в 1996 г. - международная конференция, в сентябре 1999 г. проведена международная научно-практическая конференция “Гуманизм и строительство на пороге третьего тысячелетия”, результатом работы которой явилось создание Алтайского научно-творческого центра Российской академии архитектуры и строительных наук (АлтНТЦ РААСН) и заключено соглашение между Администрацией Алтайского края и РААСН, приведенное ниже.

Основны результаты научно-педа-гогической работы опубликованы в крупных изданиях России, международных конференциях:

1. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты: Учебн. для вузов по спец. “Строительство”. – М.: Высш. шк., 1987. – 296 с.
2. Швецов Г.И. Инженерная геология, механика грунтов, основания и фундаменты: Учебн. для вузов. – 2-еизд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1997. – 319 с.
3. Основания и фундаменты: Справочник / Г.И. Швецов, И.В. Носков, А.Д. Слободян, Г.С. Госькова; под ред. Г.И. Швецова. – М.: Высш. шк., 1991. – 383 с.
4. Швецов Г.И. Деформируемость лессовых пород Верхнего Приобья. – АлтГТУ им. И.И. Ползунова., Барнаул, 1980.
5. Швецов Г.И., Черепанов Б.М. Методика уплотнения лессовых просадочных грунтов трамбовками повышенного веса. Труды 1-ой Казахстанской национальной технической конференции с иностранным участием “Проблемы фундаментостроения в грунтовых условиях новой столицы”. – Акмола, ЕАГУ им. Л. Гумилева, 28-31 мая 1997 г., С. 484-486.
6. Швецов Г.И. Проблемы использования лессовых просадочных грунтов юга Западной Сибири как оснований зданий и сооружений. Доклады пленарного заседания Международной научно-практической конференции “Лессовые просадочные грунты: исследования, проектирование , строительство”, Барнаул, 1997. С. 3-25.
7. Швецов Г.И., Черепанов Б.М. Региональная таблица деформационных и прочностных характеристик уплотненных лессовых суглинков. Российская Академия архитектуры и строительных наук. Вып. 2: М. – 1999. С. 448-451.
8. Швецов Г.И., Соколов В.Н. Изменение микроструктуры лессовых пород при различных механических воздействиях. Инженерная геология, 1990. - № 6. – С. 41-49.
9. Швецов Г.И., Вяткина Е.И. Изменение микроструктуры лессового грунта при уплот-нении его тяжелыми трамбовками. Сб. трудов Российской Академии архитектуры и строительных наук, Москва, 1996. С. 7-9.
10. Швецов Г.И., Коробова О.А. К вопросу учета деформационной анизотропии в расчетах лессовых оснований. Изв. вузов. Строительство, Новосибирск. - № 3, – 1998. С. 122-124.
11. Швецов Г.И., Арефьев В.С. Норматив-ные и расчетные характеристики лессовых пород Верхнего Приобья. Алтайский межотраслевой ЦНТИ, № 556-41, Барнаул, 1974.
12. Швецов Г.И. Лессовые просадочные породы южной оконечности Западно-Сибирской плиты и методы устройства оснований и фундаментов. Инженерная геология, № 5. 1989.
13. Швецов Г.И., Осипов В.И., Молодых И.И., Горбунова Т.А., Азаров Б.Ф. Природно-техногенные геологические процессы и явления на территории Приобского лессового плато и г. Барнаула. Глобальные изменения природной среды. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИИ ОИГГМ, 1998. С. 308-313.
14. Швецов Г.И. Лессовые грунты Западной Сибири и методы устройства оснований и фундаментов. – Монография.: М.: Высш. шк. – включена в план изданий на 2000 г.

Признанием научных и педагогических заслуг школы и ее научного руководителя Швецова Г.И. является избрание его в 1976 г. членом международного комитета по механике грунтов и фундаментостроению РФ, в 1993 - действительным членом Академии жилищного и коммунального хозяйства РФ, а в 1995 г. - членом-корреспондентом Российской Академии архитектуры и строительных наук РФ. В 1995 г. Г.И. Швецову присвоено почетное звание “Заслуженный деятель науки РФ”, в 1996 г. – Почетный работник высшего образования РФ, член координационного совета по архитектуре и строительству “Сибирского соглашения”. В 1999 г. получен Ползуновский грант (программа “Студенты – малому бизнесу”, учредители: Министерство образования РФ: Государственный Фонд содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере).

Коллектив ученых под руководством Швецова Г.И. в 1999 г. награжден мунициапальной премией г. Барнаула за внедрение на объектах города новой технологии создания высокопрочных грунтовых оснований.