Причины разрушения домов
Причины разрушения домов
Дом, построенный на твердом неподвижном основании, простоит как угодно долго. По крайней мере, пока будут целы его несущие конструкции. И наоборот, если грунт под домом уменьшит свою несущую способность, то возникшие за счет этого перекосы приведут к его разрушению при как угодно прочных стенах и фундаменте.
Явление уменьшающейся со временем несущей способности грунта было замечено давно, но поскольку физика этого была неизвестна, то в различных источниках сведений об этом можно найти немного. Так, описанный во всей учебной строительной литературе Трансконский элеватор (в Канаде), который в 1903 году за 23 часа буквально лег набок, интересен также и тем, что инженерно-геологические изыскания под ним осуществлялись дважды. И, как оказалось, грунт, перед строительством представленный плотными глинами, вблизи угла, опустившегося на 7 метров, превратился в податливую вязко-пластичную глину. Более того, обнаруженная при первом бурении на глубине 20 м известняковая плита просто исчезла.
Надо сказать, что исследователи, которые искали причину этой аварии, не усмотрели связи исчезновения известняковой плиты с увеличением податливости глины под элеватором. А вместе с тем, связь между этими событиями самая непосредственная, и определяется она механизмом изменения несущей способности грунта, которая происходит под влиянием на грунт со стороны инженерного сооружения (ИС). Но прежде чем рассмотреть этот механизм, думаю, необходимо рассмотреть другой, психологический, чтобы понять, как в течение стольких лет оставался незамеченным фактор, являющийся виновником стольких разрушений.
Где-то в 30-х годах ХХ столетия начала развиваться наука о грунтах. К сожалению, характер этой науки был таков, что правильнее было бы называть ее не наукой, а наукообразием. Был отброшен весь накопленный опыт о поведении горных пород и грунтов, а сами эти субстанции неизвестно на каком основании были уподоблены упруго-пластичным материалам. На основании этого посыла был создан математический аппарат для расчета реакции грунтов на давление со стороны инженерных сооружений, а также метод физического моделирования этого процесса.
Согласно этим методам расчета и моделирования, горные породы вообще, и грунт в частности, с тех пор уподобляется упругой плите, прогиб которой под давлением со стороны ИС тем меньше, чем больше толщина (или, как говорят геологи, мощность) этой плиты.
Завораживающее действие красивой математики, описывающей поведение упругой плиты и соответствующих лабораторных установок, привели к тому, что от внимания ученых ускользнул очень существенный момент. А именно то, что реальные горные породы и грунты упругих свойств не проявляют. Сейчас это воспринимается с трудом, так как в течение 70 лет во всех строительных учебных заведениях мира студентам твердили диаметрально противоположное. А вместе с тем, удостовериться в истинном положении дел не представляет ни малейшего труда.
Если взять стальную плиту и нагрузить ее, то она прогнется. Прогиб этот будет тем больше, чем больше нагрузка, а с увеличением толщины плиты прогиб ее при той же нагрузке будет уменьшаться. При достаточно мощной плите прогиб ее будет столь незначителен, что им можно пренебречь. После снятия нагрузки форма плиты восстановится.
Уподобив земную толщу такой упругой плите, мы получим, что с увеличением глубины влияние давления со стороны ИС должно уменьшиться. А следовательно, и влияние на инженерное сооружение со стороны какого-либо геологического объекта (скажем, карста) будет уменьшаться с увеличением глубины залегания этого объекта. Вот такое свойство стальной плиты и было распространено на грунт.
Но вот можно ли распространять упругие свойства металлической плиты на породные слои... Дело в том, что, если то же самое проделать с породным слоем, скажем, из песчаника или известняка, картина будет совершенно иной. Прогиб при нагружении породной плиты будет, но вот после снятия нагрузки форма ее не восстановится. Это свидетельствует о том, что горные породы изгибаются не из-за упругих деформаций, а вследствие накопления микронарушенности.
А поскольку идет не прогиб, а разрушение, то в реальных условиях, с увеличением глубины, влияние на ИС со стороны того же карста с увеличением глубины его залегания уменьшаться не будет. Понять это можно следующим образом. Слой осадочной породы, покрывающий собой тектоническое нарушение или, скажем, карст, залегает на неоднородном основании и поэтому разрушается в результате надавливания со стороны вышележащих породных слоев. Однако и вышележащий слой при этом окажется лежащим на неоднородном основании, и тоже разрушится давлением со стороны вышележащих слоев. Этот процесс разрушения будет двигаться снизу вверх. И только самые верхние породные слои и непосредственно грунт окажутся прочными и ненарушенными, поскольку сверху на них ничего не давит. Проведение же строительных работ по воздействию на грунт эквивалентно увеличению мощности осадочного чехла. И, стало быть, возведение здания в некоторых зонах может вызвать выход на поверхность нарушенности пород, со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Как показали исследования, зоны, в которых возможно изменение несущей способности грунта под воздействием ИС, в общем виде, приурочены к тектоническим нарушениям. Возникли тектонические нарушения достаточно давно, еще в пору остывания нашей планеты. Это открытые трещины, трещины со смещением, а то и незначительные нарушения в кристаллических породах, на которых покоятся породы осадочные. Все они называются тектоническими нарушениями, а наиболее крупные из них называют разломами. По мере увеличения мощности осадочных пород, эти шрамы периода остывания планеты оказались надежно спрятанными, и о большинстве из них мы даже не подозреваем.
Когда лет 10 назад был создан метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП), то обнаружился признак, позволяющий выявлять зоны тектонических нарушений. Признак этот заключается в том, что ССП-разрез в зоне тектонического нарушения содержит характерный V-образный (или, иначе говоря, воронкообразный) объект. Оказалось, что породы в этих зонах обладают весьма своеобразными свойствами. Весь породный столб над тектоническим нарушением находится в состоянии повышенной микронарушенности, иначе говоря, в тиксотропном состоянии. Опытные геологи знают, что иногда, в некоторых местах, при бурении, породы оказываются в настолько разрушенном состоянии, что керн не удается взять вовсе. (К сожалению, в литературе об этом прочесть нельзя, так как, согласно существующим нормативам, повышенные потери керна воспринимаются исключительно как свидетельство низкой квалификации буровиков.)
Исследования выявляемых с помощью метода ССП зон тектонических нарушений показали, что грунт в этих зонах уменьшает свою несущую способность после начала строительных работ. В зависимости от параметров тектонического нарушения (то есть, от параметров V-образного объекта на ССП-разрезе) и характера эксплуатации инженерного сооружения степень влияния на характер эксплуатации ИС может быть очень различной. От незначительного сокращения запланированного срока эксплуатации и до разрушений, которые начинаются уже при ведении строительных работ.
Грунт и породы в зонах тектонических нарушений обладают повышенной проницаемостью на всю мощность осадочного чехла, в результате чего:
В зонах тектонических нарушений выделяются газообразные субстанции глубинного происхождения, губительно воздействующие на все живое. Иначе говоря, формируются геопатогенные зоны.
Содержимое находящихся в этих зонах разного рода могильников и хранилищ будет проникать на огромные глубины, и, как показывает опыт, следы этих протечек будут обнаруживаться на весьма больших расстояниях.
При бурении в эти зоны возможна добыча воды.
Аппаратура спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) возникла в результате обнаружения некоторых новых, ранее неизвестных физических эффектов. Согласно же основам методологии развития научного познания, исследовательский метод, основанный на использовании нового физического эффекта, неизбежно становится источником принципиально новой информации. Один из аспектов этой информации — возникшая возможность выявлять зоны тектонических нарушений.
Признаком наличия зоны тектонического нарушения, как уже говорилось, оказался весьма своеобразный воронкообразный (или V-образный) объект, который прорисовывается на ССП-разрезе земной толщи. Этот признак проверен многие сотни раз, в различных геологических условиях, и всегда это устойчивый признак того, что грунт в этом месте ненадежный, и опираться на него не следует. Сваи в этом месте вместо того, чтобы удерживать сооружение, будут уходить в грунт. Так же и сваи, которые специально создают под уже построенным домом, чтобы удержать его уход в грунт. Физика этого эффекта очень проста: вместо того, чтобы дом поддерживать, эти сваи увеличивают общий вес сооружения и приводят в зоне тектонического нарушения к ускорению его погружения в грунт, а стало быть, разрушения. Чтобы убедиться в этом, далеко ходить не надо. Лучшей иллюстрации, чем насосная станция Ольгинских очистных сооружений (пригород Санкт-Петербурга), где эту методику применяли, не придумать. Только без резиновых сапог и противогаза туда ходить не следует — в таком они теперь состоянии...
Здесь хотелось бы провести аналогию обнаруженного нами признака с рентгеноскопией. Затемнение на легких — это признак неблагополучия, и с ним начали считаться задолго до того, как была осознана физика этого признака.
Зоны тектонических нарушений, беспорядочно разбросанные по всему земному шару, в каждом регионе проявляют свои особенности. Так, большая часть средней полосы России, где осадочная толща сложена мощными известняками, «больна» карстовыми зонами, которые, как оказалось, приурочены к зонам тектонических нарушений, и решение проблемы их обнаружения значительно снижает количество техногенных катастроф.
Карсты образуются в том случае, если грунтовая вода (приуроченная, как говорилось выше, к зонам тектонических нарушений) имеет кислотный характер. Как взаимодействуют карбонатные породы с кислотой — известно. Возвращаясь к Трансконскому элеватору, можем подробно расписать причины его разрушения. Строительство элеватора в зоне тектонического нарушения привело к выходу на поверхность повышенной трещиноватости пород. Поднявшаяся в связи с этим грунтовая вода (имевшая кислотный характер) прореагировала с известняковой плитой и увлажнила приповерхностные глины, которые в этом месте уже не лежали на известняковой плите, а уходили во вновь образовавшийся карст, увлекая за собой часть элеватора.
В Петербурге и на Северо-Западе России к зонам тектонических нарушений приурочены плывуны, и именно это определяет характер разрушений наших домов. Плывун — это замкнутый объем, в пределах которого мельчайший водонасыщенный песок, или скорее даже ил, находится под большим давлением. Дому, который стоит на плывуне, ничто не угрожает до тех пор, пока в результате каких-либо работ не окажется нарушенной герметичность плывуна. Выход плывуна из-под дома — это большая неприятность, поскольку при этом фундамент дома целиком или частично теряет свою опору.
В связи с тем, что теперь появилась возможность выявлять плывуны, механизм влияния зон тектонических нарушений на дома и прочие инженерные сооружения в регионах, характеризующихся наличием плывунов, представляется настолько простым, что само собой сформировалось правило, которое гласит:
Если под вашим домом оказалась зона тектонического нарушения, то следует приложить усилия, чтобы на протяжении этой зоны не осуществлялось никаких строительных работ, которые могут выпустить плывун.
Правильно или неправильно мы понимаем тот или иной механизм развития техногенной катастрофы — видно по эффективности прогнозов. В связи с этим нам хотелось бы отметить ход событий на Двинской улице в Санкт-Петербурге.
Первое заявление о том, что 2-й корпус дома №8 находится в предаварийном состоянии, было сделано нами в июле 2002 года, после того как были проведены исследования с применением метода ССП, и на ССП-разрезе под южной частью этого дома был обнаружен воронкообразный объект (рис. 1), по параметрам аналогичный объекту, выявленному в Ольгино, на территории очистных сооружений (рис. 2). Других признаков надвигающейся беды в июле еще не было. Сейчас, когда спустя почти год после этих измерений, добросовестной строительной организацией («Спецстройсервис») наконец-то сделаны нормальные исследования, картина подтвердилась полностью.
Строительное дело — наука экспериментальная. И именно поэтому, вопреки многим теоретикам наш, питерский Водоканал, наэкспериментировавшись вволю, первым взял на вооружение метод ССП. Первым, но не единственным. Мы не уверены, что следует перечислять всех, кто использует нашу методику, но то, что в числе пользователей оказался Отдел прогнозирования техногенных катастроф АН РФ, является серьезным моментом как для нас, так и для нашего города, где эта методика создана.
Новое знание всегда парадоксально, но ведь, в конце концов, практика — критерий истины. Все когда-нибудь бывает впервые, и этого не надо бояться. Ну что ж с того, что другими геофизическими методами выявлять предаварийные ситуации невозможно. Каждый метод имеет свое назначение и свои границы применимости. Знание этих границ очень важно для тех, кто эти методы применяет. Зачастую действительно возникают разного рода спекуляции на геофизике. Но, как правило, это быстро выявляется, если ученые, имеющие соответствующую власть, в этом заинтересованы.
В настоящий момент разрабатывается генеральный план застройки Санкт-Петербурга. Не сомневаемся, что со временем наш город будет иметь достойный вид. Но для этого следует строить так, чтобы в результате строительства одного здания не разрушались несколько соседних. И главным условием этого является создание таких строительных технологий, которые смогут нейтрализовать сложные природные условия, выявленные современными геофизическими методами.
